Fig.1    Bron: CERES

“Het klimaat wordt bepaald door de hoeveelheid zonlicht die door de aarde wordt geabsorbeerd en de hoeveelheid infrarood straling die naar de ruimte wordt uitgestraald. Deze grootheden en hun verschil bepalen het stralingsbudget van de aarde (ERB). Het project Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) levert satellietwaarnemingen van ERB en wolken. Het gebruikt metingen van CERES-instrumenten aan boord van verschillende satellieten, samen met gegevens van vele andere instrumenten, om een uitgebreide reeks ERB-gegevensproducten te produceren voor klimaat-, weer- en toegepast wetenschappelijk onderzoek.”

Zo begint het CERES-verhaal op de website van NASA, de stralings- of energiebalans in figuur 1 maakt het een en ander aanschouwelijk. De ‘motor’ achter die energiebalans van onze planeet is het inkomende zonlicht (kortgolvige straling). Alle andere energiestromen op het plaatje zijn het ‘gevolg’ van dat binnenvallende zonlicht. Aan de buitenzijde van de dampkring (TOA, top of atmosphere, op ongeveer 100 km hoogte) valt gemiddeld 340 W/m2 aan energie binnen. Daarvan verdwijnt 99 W/m2 door reflectie ongebruikt weer de ruimte in. Wat overblijft wordt geabsorbeerd door het aardoppervlak (164 W/m2)  en door de atmosfeer (77 W/m2). Door die absorptie worden aardoppervlak (71% water, 29% land) en atmosfeer opgewarmd. Aardoppervlak en atmosfeer zenden op hun beurt energie de ruimte in, in de vorm van langgolvige (infrarood) straling.

Fig.2    Bron: CERES

Als de energiebalans perfect in balans is komt er net zoveel energie het aardse systeem binnen als dat er uit gaat naar de ruimte. Op figuur 1 is te zien dat die balans bijna perfect is, er komt momenteel slechts 0,71 W/m2 méér binnen dan er uitgaat. Dat is extra opmerkelijk omdat er heel veel factoren invloed uitoefenen op de energiestromen in figuur 1. Een tijdje geleden heb ik over de rol van wolken in die energiebalans het een en ander geschreven, zie hier. Wolken reflecteren zonlicht aan de bovenzijde, maar absorberen infrarood aan de onderzijde. Broeikasgassen absorberen net als wolken ook infraroodstraling. Die infraroodstraling wordt na absorptie vrijwel onmiddellijk weer uitgestraald, naar alle kanten. Een deel gaat richting aardoppervlak en verwarmt het oppervlak extra: het broeikaseffect. Uiteindelijk verdwijnt alle infraroodstraling aan de TOA. Wie zin en tijd heeft moet maar eens het hoofdstuk over de broeikastheorie lezen.

Fig.3    Bron: CERES

Eind jaren ’90 van de vorige eeuw startte het CERES project met de lancering van de eerste satelliet met speciale instrumentatie. Momenteel worden er zowel satellieten in een lage polaire baan als in een hoge geostationaire baan gebruikt. Die meten aan energiestromen, van het aardoppervlak tot aan TOA. Met behulp van die veelheid aan metingen zijn wetenschappers in staat om een groot deel van de energiebalans uit figuur 1 te ontrafelen.

Twee factoren die permanent gemeten worden aan TOA zijn de inkomende kortgolvige zonnestraling en de uitgaande langgolvige infraroodstraling. De video van figuur 4 laat het verschil tussen beide zien gedurende een etmaal:

Fig.4   Bron: CERES

Het middelpunt van het beeld bevindt zich boven de Grote Oceaan. De vlek met de kleuren lichtblauw, groen, geel en rood is het gedeelte van de aarde dat op dat moment beschenen wordt door de zon. Het is daar dus dag. De netto straling aan TOA loopt op sommige plekken op tot 1000 W/m2. In het deel met de paars-blauwe kleuren is het nacht: geen inkomende straling, alleen uitgaande. De netto straling aan TOA bereikt dan waarden tot -400 W/m2. Aan de ligging van het gebied waar het dag is valt af te leiden dat het een zomers etmaal op het zuidelijk halfrond betreft. Vergelijk je deze video met de netto TOA straling van 0,71 W/m2 uit figuur 1, dan is duidelijk dat die 0,71 W/m2 het gemiddelde is van een grote range aan waarden van -400 W/m2  tot 1100 W/m2 ! Vrijwel nergens op aarde is er dus evenwicht tussen inkomende en uitgaande straling, in tegendeel zelfs. Maar gemiddeld is dat er wel (bijna).

Kortom, die CERES databanken zijn een schatkamer voor wie nieuwsgierig is naar het antwoord op de vraag hoe het aardse klimaat werkt. Het mooie is dat die databanken van NASA gewoon vrij toegankelijk zijn voor de geïnteresseerden, zie hier. Helaas zijn de data in netCDF formaat opgeslagen. Geen probleem voor wetenschappers maar wel voor de geïnteresseerde leek.

Een bekende auteur op de meest bezochte klimaatblog ter wereld WhatsUpWithThat, Willis Eschenbach, schrijft regelmatig over de energiebalans van de aarde en maakt gebruik van de originele data. Die data zijn samengesteld uit een aantal individuele datasets over zaken als de hoeveelheid zonlicht die door de aarde wordt gereflecteerd, de inkomende zonne-energie van de zon, de opwaartse infraroodstraling vanaf het aardoppervlak, en nog veel meer. Elke dataset is een gridcel van 1° breedtegraad bij 1° lengtegraad die per maand een bepaalde grootheid registreert.

Fig.5    Bron: WUWT

Figuur 5 toont een grafiek van een van de factoren, namelijk de gereflecteerde kortgolvige instraling van het NH per maand van 2000 tot 2022 (geel). De rode lijn is het resultaat als je de seizoenschommelingen uit de gele lijn verwijdert. De gemiddelde waarde ligt in de buurt van 100 W/m2. Dat is de ‘Reflected Solar Radiation’  uit figuur 1. Interessant is dat die van 2000 tot 2022 een licht dalende trend vertoont, dat wil zeggen dat er iets meer (die 0,71 W/m2 die we al eerder tegenkwamen) kortgolvige energie overblijft om de aarde te verwarmen.

Kortom, een zeer interessant onderwerp. Willis Eschenbach schrijft regelmatig over CERES-data en de energiebalans van de aarde en hij verstaat de kunst om moeilijke dingen eenvoudig te kunnen uitleggen. Daarom heb ik gevraagd of ik zijn recente artikelen voor Klimaatgek mag vertalen, en daar heb ik toestemming voor gekregen. Dus binnenkort het eerste artikel van Willis Eschenbach op deze website!