De zon en de opwarming van Nederland

 Fig. 1   Data: KNMI

Het afgelopen jaar heb ik een aantal berichten geschreven over de sterke toename van de inkomende zonne-energie in Nederland en wijde omgeving. Zie onder andere hier en hier en hier. Hoe warm het op een bepaald moment en op een bepaalde locatie is, wordt door een complex van factoren bepaald.  De belangrijkste factor die de temperatuur bepaalt is de hoeveelheid stralingsenergie van de zon die binnenvalt. Dat merken we elke dag als de opkomende zon het aardoppervlak verwarmt en de temperatuur doet stijgen. In de periode 1980-2019 was die dagelijkse stijging van de temperatuur op de 5 hoofdstations van het KNMI gemiddeld ruim 7 °C, aan de kust wat lager door de dempende invloed van de zee, in het binnenland wat hoger. De seizoenswisselingen hebben ook een groot effect op de temperatuur: op basis van de metingen op de 5 hoofdstations was het in Nederland tussen 1980 en 2019 in januari gemiddeld 3,3 °C en in juli 17,8 °C.

Het KNMI levert de data van de hoeveelheid invallende zonne-energie Q (solar irradiation) in J/cm2 per etmaal. In De Bilt wordt vanaf 1957 gemeten, in Vlissingen sinds 1964 en op de andere drie hoofdstations Eelde, De Kooy en Maastricht sinds 1965. Figuur 1 toont de gemiddelde dagelijkse instraling (irradiation) per jaar vanaf het begin van de metingen t/m 2019 op de vijf hoofdstations. De signalen van de stations fluctueren sterk van jaar tot jaar, vooral als gevolg van verschillen in bewolking.  In alle stations gaat de  hoeveelheid invallende zonne-energie sinds begin jaren ’80 van de vorige eeuw gestaag omhoog. De hoogste instraling wordt op de beide kuststations gemeten, waarover later meer.

Fig. 2

Over de periode 1980-2019 is de stijging van de instraling op alle stations groot: De Kooy 9,5%, De Bilt 13,7%, Eelde 11,3%, Vlissingen 12,2% en Maastricht 11,2%. Dat impliceert een enorme toename van de hoeveelheid zonne-energie in ons land, die moet effect gehad hebben op de temperatuur. De oorzaak van die sterke toename moet gezocht worden in twee factoren: de afname van aerosolen (brightening) en de afname van de bewolking. Die brightening is voldoende beschreven in de wetenschappelijke literatuur en beperkt zich overigens niet tot Nederland. Het is een bekend fenomeen in heel West-Europa en ook in andere vroeg geïndustrialiseerde regio’s op aarde.

Fig. 3  Data: KNMI

Verandering in bewolkingsgraad is lastig vast te stellen aan de hand van data van het KNMI. Oorzaak is waarschijnlijk de wijze van observatie en registratie. Daarom heb ik in een andere bericht mijn toevlucht genomen tot een proxy voor bewolking, namelijk het aantal zonuren. De ontwikkeling in de tijd daarvan ziet u in figuur 3. De grafiek geeft per jaar het verschil in aantal uren zon ten opzichte van het gemiddelde van 1640 uren in de periode 1980-2019. Het aantal zonuren is sinds 1980 met ruim 25% toegenomen. De conclusie lijkt gerechtvaardigd dat die toename van de instraling vooral het gevolg is van de afname van bewolking in genoemde periode.

Vraagstelling

In het eerste bericht over deze materie half augustus 2019 concludeerde ik: “Het zal niet makkelijk zijn om op basis van de toename van de irradiation af te leiden hoe groot daarvan het opwarmend effect is. Maar een toename van ruim 13% van de binnenvallende zonne-energie in De Bilt van 1989-2019 is dermate groot dat het me niet zou verbazen als deze factor verantwoordelijk is voor een aanzienlijk deel van de temperatuurtoename in De Bilt vanaf 1980. Het lijkt me een mooie opdracht voor het KNMI om daar eens de tanden in te zetten en wat minder te jammeren over het obligate CO2-verhaal. ”

Van dat laatste is toe nu toe niets gekomen vrees ik. Echter, een aantal weken geleden kreeg ik over deze materie een email van een lezer van Klimaatgek, Ad Huijser. Ad is gepensioneerd fysicus en als zodanig al jaren geïnteresseerd in klimaatwetenschap. Hij had in de brochure  “KNMI ’14 Klimaatscenario’s voor Nederland ” gevonden dat het KNMI de bijdrage van de instraling op de temperatuurstijging in Nederland op 0,2 °C schat (periode 1981-2013). Onrealistisch laag leek hem dit, mij ook. Ad werd getriggerd door mijn opmerking dat het niet makkelijk zou zijn om op basis van de toename van de instraling af te leiden hoe groot daarvan het opwarmend effect is. Hij schreef me over zijn ideeën op basis waarvan hij het effect op ongeveer 0,8-1°C berekende. Uit zijn omschrijving begreep ik onmiddellijk dat deze aanpak wel eens zou kunnen leiden tot een nauwkeurige vaststelling van de stralingsgevoeligheid. Zo ontstond een correspondentie over dit onderwerp waarbij we over en weer ideeën uitwisselden. Dat is nu uitgekristalliseerd in dit artikel. Het is uiteraard minder uitgewerkt dan een wetenschappelijke publicatie maar tegelijk wel meer dan een berekening ‘op de achterkant van een sigarendoosje’.

Om de mate van invloed van instraling op de temperatuur ergens op aarde vast te stellen kun je gebruik maken van het tweetal zonnecycli die ons ter beschikking staan: de dagelijkse cyclus en de jaarlijkse cyclus. In beide cycli is immers sprake van toe- en afname van de instraling in de tijd en bijgevolg een reactie op de luchttemperatuur aan het aardoppervlak. De vraag is nu of het mogelijk is om aan de hand van deze cycli de stralingsgevoeligheid in Nederland vast te stellen.


De dagelijkse gang

Fig. 4    Bron: University of Washington

Figuur 4 toont een geschematiseerde dagelijkse cyclus op de equinox, de dagen per jaar dat de dag en nacht even lang zijn (afgezien van de evenaar waar zowel dag als nacht altijd 12 uur duren). De oranje lijn is de instraling, de kortgolvige zonnestraling die binnenvalt. Idealiter wordt het maximum van de instraling om 12 uur bereikt. De blauwe lijn is de langgolvige warmtestraling die vanaf het aardoppervlak naar buiten straalt. Zolang de inkomende straling groter is dan de uitgaande straling zal er opwarming van het aardoppervlak plaatsvinden, en bijgevolg van de lucht er direct boven. Dat is te zien aan het verloop van de rode lijn. De maximum temperatuur wordt bereikt als de oranje en blauwe lijn elkaar ’s middags kruisen. In de figuur is dat rond 15.30 uur. Dan wordt de netto straling van positief >>> negatief en daalt vanaf dat moment de luchttemperatuur.

In de figuur is gedurende de periode waarin de temperatuur stijgt de instraling voortdurend aanwezig. Tussen 15.30  en 18.00 uur is de instraling ook nog aanwezig maar ziet geen kans meer om de luchttemperatuur te laten stijgen vanwege de toename van de langgolvige uitstraling, die dan groter wordt dan de instraling. Na 18 uur is er alleen langgolvige straling en zet de afkoeling verder door. Van het temperatuurverloop gedurende het etmaal zijn zowel Tn (minimum temperatuur) als Tx (maximum temperatuur) in de databank van het KNMI aanwezig. Dat betekent dus dat van elke dag Tx- Tn (de dagelijkse temperatuurgang )bekend is. Van elk etmaal is ook Q,  de instraling per etmaal, aanwezig. Het zou dus theoretisch mogelijk moeten zijn om met deze data een beeld van de stralingsgevoeligheid in Nederland te verkrijgen en daarmee van de invloed van de toename van de instraling sinds 1980 op de luchttemperatuur.

Fig.  5    Data: KNMI

In figuur 5 is het verschil tussen Tx en Tn (ΔK), de dagelijkse gang, afgezet als functie van de irradiation (Q) voor elk etmaal in Nederland van 1980 t/m 2019, met lineaire trendlijn. Nederland wordt hier opgevat als het gemiddelde van de 5 hoofdstations. Elk blauw puntje vertegenwoordigt 1 etmaal in deze periode van 40 jaren. De stralingsgevoeligheid (K/kJ/cm2 per etmaal) afgeleid uit figuur 5 is 6,95 K per kJ/cm2.

Met regressie-analyse is de R kwadraat bepaald, die is 0,59. Dat betekent dat Tx-Tn per etmaal slechts voor 59% verklaard kan worden door de instraling in dat etmaal. Dat is een mager resultaat. In het ideale geval zouden alle blauwe puntjes op de trendlijn liggen.  Dat dat niet het geval is wijst er op dat behalve irradiation nog andere factoren van invloed zijn op het verband tussen temperatuur en instraling in de dagcyclus. En die zijn er. Zo dempt een hoge luchtvochtigheid de temperatuurschommelingen omdat waterdamp een goede absorber en emitter is van langgolvige straling is. Wolken zijn goede absorbers en emitters van langgolvige straling en goede reflectoren van zonlicht. Bewolking leidt daarom tot koelere dagen en warmere nachten en een kleinere dagelijkse gang. Wind mixt lucht met verschillende temperaturen waardoor temperatuurverschillen afnemen.

Fig. 6

In Nederland is een niet te negeren invloed op de dagcyclus de ligging aan zee (figuur 6). Komt de lucht van zee dan zijn de temperatuurverschillen tussen dag en nacht klein omdat er van temperatuurverschillen boven grote wateroppervlakken nauwelijks sprake is. Dat wordt een ander verhaal als de wind van land komt. De oorzaak van dat verschil is het feit dat een aantal fysische eigenschappen van water sterk afwijken van die van de grond. Zo heeft water een veel grotere warmtecapaciteit dan grond waardoor het warmtebufferend vermogen van water veel groter is dan van grond. Overdag dringt zonlicht diep het water binnen en verwarmt zo een dikke waterlaag, die door turbulentie en golfwerking ook nog flink gemixt wordt.

Daarentegen dringt zonlicht nauwelijks de grond in, zodat overdag slechts de bovenste centimeters van de grond verwarmd worden. ’s Nachts is de uitstraling van de grond groot en koelt de bovenste dunne laag snel af, wat van invloed is op de luchttemperatuur. Vanwege de slechte warmtegeleidbaarheid van met name droge grond ten opzichte van water is de koppeling tussen grondtemperatuur en luchttemperatuur op enige diepte al vrijwel afwezig (figuur 7).

Fig. 7    Bron: Nuruddin et al 2005

Ook de effecten van grootschalige luchtcirculatie op de dagelijkse temperatuurgang in Nederland moeten niet onvermeld blijven. Het overtrekken van bijvoorbeeld frontensystemen heeft vaak grote gevolgen voor de temperatuur en de dagelijkse gang. Dat wordt getoond in figuur 8.

Fig. 8    Bron: Weerslag

De grafiek is afkomstig van de website Weerslag.nl. Een van de aardige dingen aan die website is dat je van weerstations de temperatuur per 10 minuten kunt volgen. Figuur 8 geeft het temperatuurverloop in De Bilt weer van 1 oktober 0 uur tot 7 oktober 24 uur 2020. In het rechterdeel van de grafiek ziet de dagelijkse gang er tamelijk ‘normaal’ uit, met opwarming vanaf ongeveer 07 uur tot ongeveer 16 uur. Op 1 oktober echter trok er een koufront over het land, wat tot gevolg had dat de dagelijkse gang op die dag nagenoeg nihil was. Tussen 7 uur ’s ochtends en 16 uur ’s middags was de afkoelende werking van dat front blijkbaar ongeveer even sterk als de opwarming vanwege instraling. De enorm grote gang op 2 oktober laat het effect zien als het koufront voorbij getrokken is.

Het gevolg van ‘verstoringen’ zoals hierboven beschreven zijn is dat het verband tussen temperatuur en instraling op basis van de dagcyclus verre van perfect is.

Fig. 9  Data: KNMI

In de tabel van figuur 9 is te zien dat de stralingsgevoeligheid van Vlissingen en De Kooy opvallend lage waarden vertoont vergeleken met de andere hoofdstations. Dat heeft vooral te maken met de veel lagere ΔK, dus het verschil tussen Tx en Tn.  Die veel kleinere dagelijkse temperatuurgang is het gevolg van de directe nabijheid van de zee die een dempende werking uitoefent op de luchttemperatuur Op station Vlissingen.

De jaarlijkse gang

Fig.  10     Bron: Lumenlearning

De jaarlijkse gang van de temperatuur op aarde is het gevolg van de scheefstelling van de aardas ten opzichte van het vlak waarin de aarde rond de zon draait (figuur 10). Daardoor verandert de hoek van instraling per dag en daardoor ook de afstand die het licht door de dampkring moet afleggen:  er ontstaan buiten de tropen seizoenen.

Fig.  11    Bron: http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6i.html

Figuur 11 toont de invloed van de jaarlijkse gang van de instraling op diverse breedtes op het NH. Let op de opvallend grote instraling op zomerse dagen op hogere breedte (groter dan in de tropen) als gevolg van de daglengte.

Fig.  12    Data: KNMI

Figuur 12 toont de gemiddelde instraling Q in kJ/cm2 per etmaal voor elk van de 12 maanden in Nederland in de periode 1980-2019 op basis van data van de 5 hoofdstations De Kooy, De Bilt, Eelde, Vlissingen en Maastricht.

Fig. 13   Data: KNMI

Figuur 13 toont de gemiddelde instraling per etmaal per maand voor elk van de 5 hoofdstations afzonderlijk. De hoofdstations ontlopen elkaar weinig, wat niet vreemd is voor stations die relatief dicht bij elkaar liggen. Wel is te zien dat Vlissingen en De Kooy van april t/m augustus als gevolg van een lagere bewolkingsgraad (kustligging) méér instraling ontvangen dan de meer landinwaarts gelegen stations.

Fig. 14    Data: KNMI

Figuur 14 toont de maandelijkse gang van de gemiddelde temperatuur op de 5 hoofdstations. Ook hier liggen de reeksen weer dicht bij elkaar. Vlissingen en De Kooy laten van augustus t/m januari een iets verhoogde temperatuur zien, het gevolg van de warmtebufferwerking van het water in de nabijheid.

Fig. 15    Data: KNMI

Figuur 15 toont voor Nederland de gemiddelde maandtemperatuur als functie van de gemiddelde instraling per etmaal ( in kJ/cm2) voor elke maand. R kwadraat is 0,65 , dat betekent dat de gemiddelde temperatuur per maand voor 65% verklaard kan worden door de instraling. Dat is al wat beter dan bij de dagcyclus, maar de temperatuur wordt toch nog voor 35 % door andere factoren dan de instraling. Nog niet overtuigend.

Wat opvalt is dat december en juni nagenoeg op de lineaire trendlijn liggen. De maanden januari t/m mei laten een wat lagere temperatuur zien bij vergelijkbare instraling dan de maanden juli t/m november. Dat is goeddeels het gevolg van het feit dat de luchttemperatuur boven het land na-ijlt op de instraling als gevolg van de warmtebuffering van het zeewater.

Fig. 16    Bron: http://danieloverbey.blogspot.com

Dat na-ijleffect is over de gehele aarde te vinden.  De lengte van de seizoensgebonden vertraging van de opwarming varieert van plaats tot plaats, met extremen die variëren van slechts 2 tot 3 weken in poolgebieden en gebieden ver landinwaarts,  tot wel 2½ maand voor kustgebieden met overheersende aanvoer van maritieme lucht.

Fig. 17    Data: KNMI

Figuur 17 toont het na-ijleffect van gemiddelde maandtemperatuur T ten opzichte van instraling Q In Nederland. In Nederland is de seizoensvertraging ongeveer 1 maand. Als ik de maandtemperatuur corrigeer voor een seizoensvertraging van 1 maand dan ziet dat er zo uit:

Fig. 18    Data: KNMI

De synchronie van T en opzichte van Q is nu heel mooi, alleen de zomertemperaturen lijken nog iets achter te lopen bij de instraling maar dat is voor nu acceptabel. Gebruiken we in plaats van maanden kleinere tijdseenheden, bijvoorbeeld decaden, dan is een verder fijn-tuning mogelijk.

De vraag is nu welk effect de seizoensvertraging op T als functie van Q zou hebben voor Nederland als T met 1 maand gecorrigeerd wordt voor de seizoensvertraging?

De redenering is als volgt: als de vertraging exact 1 maand is dan zullen in een ideale situatie de maandpunten op de lineaire trendlijn liggen. Voor Nederland is dit het effect van een correctie met een maand:

Fig. 19    Data: KNMI

In figuur 19 is de maandtemperatuur T (gecorrigeerd voor de time lag met 1 maand) als functie van de instraling Q voor Nederland weergegeven op basis van de data van de 5 hoofdstations. 

Het resultaat is verbazingwekkend mooi: de maanddata liggen vrijwel perfect op de lineaire trendlijn!

De resultaten zijn in figuur 20 in tabelvorm weergegeven. Vooral  van belang is de onderste regel die de stralingsgevoeligheid weergeeft.

Fig. 20    Data: KNMI

Voor Nederland is die stralingsgevoeligheid ruim 10K (10 °C) bij een toename van 1 kJ/cm2. R kwadraat is nu 0,99 : dat betekent dat de gemiddelde temperatuur per maand na correctie voor de vertraagde reactie van de temperatuur op de zon voor 99% statistisch verklaard kan worden door de instraling.

Dat laatste toont aan dat we met een gerust hart durven te stellen dat de stralingsgevoeligheid van Nederland op basis van de 5 hoofdstations zo’n 10 °C is bij een toename van de instraling met 1 kJ/cm2. De dagcyclus leverde ook een maat voor de stralingsgevoeligheid, maar de R kwadraat van slechts 0,59 liet zien dat deze cyclus minder goed te gebruiken is voor een betrouwbare schatting van de stralingsgevoeligheid.

Conclusies

Volgens bovenstaande berekeningen op basis van de jaarcyclus is de stralingsgevoeligheid voor Nederland ongeveer 10 °C bij een toename van de instraling met 1 kJ/cm2.

Fig. 21

De gemiddelde etmaal-instraling is tussen 1980 en 2019 in Nederland op basis van de data van de 5 hoofdstations toegenomen van 960 tot 1078 J/cm2 (figuur 21). Dat is een forse toename met 118 J/cm2  (12,3%). Volgens de berekende stralingsgevoeligheid van 10 °C per kJ/cm2 heeft dat een stijging van de temperatuur teweeggebracht van 1,2 °C. En dat is dus aanzienlijk meer dan de 0,2 °C die het KNMI stelt in de KNMI’14 brochure.

Fig. 22

Figuur 22 toont de jaarlijkse gang van de temperatuur in Nederland op basis van Tg van de 5 hoofdstations. Tussen 1980 en 2019 steeg de temperatuur van 9,4 °C tot 11,1 °C, een stijging met maar liefst 1,7 °C. Van die 1,7 °C temperatuurstijging komt dan 1,2 °C voor rekening van de sterke toename van de instraling in deze periode.

De toename van de temperatuur in ons land tussen 1980 en 2019 kan dus voor 70% verklaard worden door de toename van het binnenvallend zonlicht.

Blijft over een ‘gat’  van 0,5 °C dat niet verklaard kan worden door toename van de instraling. Mogelijke oorzaken zijn toename van langgolvige instraling als gevolg van het gestegen atmosferisch CO2-gehalte (broeikaseffect), het Urban Heat Island effect als gevolg van de toegenomen verstedelijking, veranderde luchtcirculatie (zie hier) en wellicht nog enkele andere tot nu toe onbekende factoren.