In het bericht van 12 juni 2021 besteedde ik aandacht aan de rol van wolken in de stralingsbalans van de aarde. Daarbij maakte ik onder andere gebruik van recente satellietdata van het CERES project. Die data zijn de moeite waard om nogmaals bekeken te worden.
Fig. 1 Bron: CERES
Figuur 1 toont de energiebalans van de aarde. Bovenaan de figuur is Top Of Atmosphere (TOA) aangegeven, de grens tussen atmosfeer en de ruimte. De CERES-satellieten meten de inkomende en uitgaande straling aan de TOA. Dat zijn de Incoming Solar Radiation, hier SW Sun genoemd, de Reflected Solar Radiation (SW Out), en de Outgoing LW Radiation (LW Out).
SW Sun is op langere termijn constant maar schommelt jaarlijks licht. In de periode 2001-2020 tussen 339,9 W/m2 en 340,2 W/m2, gemiddeld 340 W/m2. SW Sun minus SW Out noem ik SW Absorbed en is de energie die geabsorbeerd wordt door het aardse systeem, dus door aardoppervlak en atmosfeer.
Fig.2 Data: CERES
Het roze gekleurde vlak tussen SW Sun en SW Out is het deel dat door het aardse systeem geabsorbeerd wordt. Het is de energiebron voor vrijwel alle processen aan het aardoppervlak en in de atmosfeer. Zoals gezegd is SW Sun op langere termijn bezien constant, maar dat geldt niet voor SW Out:
Fig.3 Data: CERES
Figuur 3 toont dat SW Out van 2001 t/m 2020 een negatieve trend heeft van -1,4 W/m2. Dat betekent dat de SW Absorbed, de energie die opgenomen wordt door het aardse systeem, is toegenomen met 1,4 W/m2. Het aardse systeem (oceanen + aardoppervlak + atmosfeer) warmt dus tussen 2001 en 2020 op doordat meer zonlicht dan voorheen het aardse systeem bereikt.
De eerste wet van de thermodynamica (wet van behoud van energie) vereist dat de zonne-energie geabsorbeerd door het aardse systeem gelijk is aan de energie die door het aardse systeem de ruimte in wordt gezonden. Op langere termijn zijn netto inkomende en uitgaande straling (SW Absorbed en LW Out) dus gelijk, maar meestal is er sprake van een lichte onbalans vanwege vertragende effecten binnen het aardse systeem.
Fig.4 Data: CERES
Figuur 4 laat de onbalans zien tussen die binnenkomende en uitgaande straling. De balans voor het aardse systeem is positief want over de periode 2002 t/m 2020 wordt er meer energie door het aardse systeem geabsorbeerd dan dat er als LW Out naar buiten gaat. Er is sprake van een vertraging in LW Out. Een belangrijke oorzaak daarvan is dat 70% van het aardoppervlak uit water bestaat, dat een groot deel van de binnenvallende energie absorbeert. Anders dan op het continent waar slechts een zeer dun laagje opgewarmd wordt, wordt in zeeën en oceanen vanwege de fysische eigenschappen van het water (goed doorzichtig, grote warmtecapaciteit en stromingen) de kortgolvige straling in een laag water van enkele kilometers dik geabsorbeerd en omgezet in warmte.
Fig.5 Bron: ClimateExplorer/NODC
Figuur 5 toont het effect van die opslag van warmte in de bovenste 700m van de oceaan op de gemiddelde temperatuur en heat content van die laag water. Bedenk dat de grafiek pas vanaf 2005 betrouwbaar is vanwege de toepassing van Argo boeien. De SST (sea surface temperatuur, zie figuur 6) reageert weliswaar sneller op veranderingen in de stralingsbalans aan het aardoppervlak dan de temperatuur van de onderliggende 700m, maar trager dan het land. Bij absorptie van SW op het land wordt slechts het dunne (enkele mm tot cm) bovenste laagje van de aardkorst verwarmd. Dat gaat vrijwel real time met de invallende SW straling. ’s Nachts koelt dat verwarmde laagje weer snel af, voornamelijk door LW uitstraling.
Fig. 6 Data: ClimExpl/NCEP/Hadcrut
Op zee dringt de extra zonne-energie enkele tientallen meters diep het water in. De geabsorbeerde straling wordt omgezet in warmte en uiteindelijk (vooral) door circulatie over een vele honderden meters dikke laag water verspreid, waardoor de temperatuur aan het wateroppervlak traag reageert. Zeeën en oceanen werken op deze manier als buffer voor de geabsorbeerde (extra) energie. Figuur 6 laat zien dat tussen 2005 en 2020 de SST op aarde daardoor met 0,28 °C is toegenomen, ongeveer 2,5x sneller dan de gemiddelde temperatuur (0,11 °C) van de laag 0-700m diepte. Het gevolg van dit alles is dat de LW Out vertraagd reageert op een toename van SW Absorbed. Men gaat ervan uit dat de oceanen meer dan 90% van de toename in energie opgenomen hebben tussen 1971 en 2010 (IPCC AR5).
De stralingsfluxen aan TOA worden vaak als statisch beschouwd, de afname van SW Out die CERES sinds 2001 waarneemt wordt daarom vaak genegeerd. Het is om die reden begrijpelijk dat de temperatuurstijging van de SST sinds 2005 met 0,28 °C (figuur 6) in de klimatologie dan ook grotendeels toegeschreven wordt aan de toename van de neerwaartse langgolvige straling (LW Down) als gevolg van het toegenomen broeikaseffect. Dat laatste is vreemd omdat infrarode straling het water nauwelijks binnen kan dringen.
Fig.7 Bron: Wong et al 2018
De penetratiediepte van LW Down vanuit de atmosfeer in water is hooguit 0,1 mm zoals figuur 7 laat zien. Dat bovenste extreem dunne laagje dat de LW Down energie opneemt is de thermal skin layer (TSL). De figuur is afkomstig van een onderzoek door Wong et al (2018) naar de invloed van IR straling op de opwarming van oceanen. De onderzoekers concluderen dat het warmteverlies via het grensvlak tussen lucht en zee door het TSL wordt gecontroleerd.
De hypothese van Wong et al is dat de TSL zich aanpast als reactie op variaties in de invallende IR-straling om het warmteverlies aan het oppervlak te handhaven. Hierdoor wordt de warmtestroom vanuit de diepte gemoduleerd en de warmte-inhoud van het bovenste oceaanwater beheerst. Deze hypothese werd getest aan de hand van de toename van inkomende LW straling uit wolken en de analyse van verticale temperatuurprofielen in de TSL uit emissiespectra van het zeeoppervlak (figuur 8). De extra energie uit de absorptie van de toenemende IR-straling past de kromming van het TSL temperatuurprofiel zodanig aan dat de opwaartse geleiding van warmte uit de diepte van de oceaan naar het TSL wordt verminderd. Er wordt dus meer warmte onder de TSL vastgehouden, wat leidt tot de waargenomen toename van de warmte-inhoud van het bovenste deel van de oceanen.
Fig.8 Bron: Wong et al 2018
De toename de afgelopen decennia van de temperatuur in de laag oceaanwater van 0-700m is volgens Wong et al dus niet het gevolg van toenemende LW down die de OHC verwarmt, maar van een blokkering van warmtetransport van OHC naar boven als gevolg van een toenemende LW down in de TSL.
In de periode 2001-2020 laten de CERES-cijfers zien dat de gemiddelde albedo van het aardse systeem 29,2 % was, iets lager dan de 30 % die algemeen wordt gebruikt. Men gaat er van uit dat ongeveer de helft van de albedo toegeschreven kan worden aan wolken, de andere helft aan reflectie aan het aardoppervlak. Het lijkt aannemelijk dat de afname van SW Out tussen 2001 en 2020 (zie figuur 3) vooral het gevolg is van de afname van wolk-albedo.
Fig.9 Data: ClimateExplorer/Eurometsat
Figuur 9 toont de afname van de totale bewolkingsgraad op aarde van 2002 t/m 2018, op basis van de meetdata van Advanced Very-High-Resolution Radiometer (AVHRR) instrumenten aan boord van Europese en Amerikaanse satellieten. De afname is ruim 1,2 W/m2, per decennium is dat 0,72 W/m2.
Fig.10 Bron: Climate4you/ISCCP
De ISCCP data in figuur 10 maken een onderscheid tussen low, middle en high level clouds. De grafiek laat zien dat de bedekking van low level clouds, die netto sterk afkoelend werken, sinds de jaren ’80 met 4 % is afgenomen. Dat verklaart waarschijnlijk de afname van SW Out aan de TOA en bijgevolg de toename van SW Absorbed.
De onbalans in de CERES-data tussen SW Absorbed en LW Out liep tussen 2001 en 2020 op van 0,38 W/m2 naar 1,1 W/m2. Als we er van uitgaan dat voor elke W/m2 verandering in het verschil tussen inkomende en uitgaande straling en onder de voorwaarde dat alle andere factoren in ons klimaatsysteem gelijk blijven de oppervlaktetemperatuur op aarde met 0,3 K verandert (bron Ad Huijser), dan is de toename in de onbalans tussen 2001 en 2020 al goed voor 0,72 x 0,3 = 0,22 °C opwarming.
Fig.11 Bron: University of Washington (State)
Tot slot toont figuur 11 een interessante grafiek van de invloed van low clouds, high clouds en clear skies op de atmosfeergradiënt, het verloop van de temperatuur met de hoogte. Let op het grote verschil in temperatuur-effect tussen lage (afkoelende) en hoge (opwarmende) bewolking. Tussen all sky (Average Cloud) (288 K, 15 °C) en clear skies (300 K) zit 12 K (12 °C) verschil. Dat betekent dat het netto effect van bewolking op de temperatuur aan het aardoppervlak afkoelend is. Het is daarom opmerkelijk dat vrijwel alle klimaatmodellen uitgaan van een netto opwarmend effect van wolken.