Gastartikel door Willis Eschenbach

Whatsupwiththat  2 september 2022

Voortgestuwd door spot en lof voor mijn laatste bericht, ” Surface Radiation: Absorption And Emission“ waag ik me opnieuw in de arena. Ik had een vreemde gedachte. De temperatuur op aarde is in de periode 2000-2021 over het algemeen gestegen. Ik vroeg me af of er een manier was om de efficiëntie van het broeikaseffect te meten, om te zien of de opwarming het gevolg was van toenemende broeikasgassen. Als de broeikasgassen de oorzaak waren, dan zou het broeikaseffect efficiënter moeten zijn in termen van opwarming van het oppervlak. Dit is de temperatuursverandering gedurende de periode van de CERES-satellietgegevens:

Fig.1    Veranderingen in de oppervlaktetemperatuur, CERES-gegevens. Dit is een omrekening van de CERES-gegevens van de naar boven gerichte langgolvige straling aan het oppervlak naar graden Celsius met behulp van de Stefan-Boltzmann-vergelijking. Het komt goed overeen met bijvoorbeeld de LTL data van satellietmetingen in de tropen, met een resterende standaardfout van ongeveer een tiende graad C.

De vraag is nu: waarom is het in die periode warmer geworden? Wat het broeikaseffect doet is de oppervlaktetemperatuur verhogen. Het broeikaseffect begint met een bepaalde hoeveelheid energie die het klimaatsysteem binnenkomt, en eindigt ermee dat het oppervlak warmer geworden is en dus meer warmtestraling uitzendt dan je zou verwachten als je naar bijvoorbeeld de maan zou kijken, die dezelfde hoeveelheid zonlicht opvangt als de aarde.

Het idee was dat ik de efficiëntie van het broeikaseffect kon vaststellen door de opwaartse langgolvige straling van het oppervlak te vergelijken met de hoeveelheid zonne-energie die het systeem binnenkomt. Zo meet ik de “end-to-end” efficiëntie van het hele systeem, inclusief alle terugkoppelingen en interacties. Ik heb ervoor gekozen dat uit te drukken in een “versterkingsfactor“: hoeveel W/m2 opwaartse langgolvige straling vanaf het oppervlak krijgen we voor elke W/m2 zonne-input?

De hoeveelheid zonne-energie aan de bovenkant van de atmosfeer (TOA) is ongeveer 340 watt per vierkante meter (W/m2). Ongeveer 100 W/m2 wordt gereflecteerd door de wolken en het oppervlak. Dit betekent dat de binnenkomende zonne-energie aan het aardoppervlak ongeveer 240 W/m2 bedraagt.

De opwaartse langgolvige energie van het oppervlak is daarentegen ongeveer 400 W/m2. Dit betekent dat de gemiddelde broeikas versterkingsfactor ongeveer is:

400 W/m2 / 240 W/m2 ≈ 1,66

Met andere woorden, voor elke Watt per vierkante meter zonne-input, krijgen we ~ 1,7 watt per vierkante meter opwaartse oppervlaktestraling.

Nu kunnen we deze berekening voor elke maand uitvoeren, waarbij we kijken naar de hoeveelheid warmtestraling die door het oppervlak wordt uitgezonden, gedeeld door de zonne-energie die het systeem binnenkomt. Figuur 2 toont dat resultaat. Vergeet niet dat de toename van broeikasgassen alleen verantwoordelijk is voor de opwarming als de broeikasversterkingsfactor toeneemt.

Fig. 2    Broeikasversterking. De versterking wordt berekend als de opwaartse langgolvige oppervlaktestraling gedeeld door de inkomende zonnestraling (na albedo-reflecties). Een versterkingsfactor van 2 betekent dat het oppervlak twee keer méér energie uitstraalt (langgolvige straling in W/m2)voor elke W/m2 zonne-energie die daadwerkelijk binnenkomt. Hieruit blijkt dat het broeikaseffect de inkomende zonnestraling met ongeveer twee derde heeft verhoogd, gemeten aan het oppervlak.

De grafiek toont een zeer interessante bevinding: de efficiëntie van de planetaire broeikas is in de getoonde periode iets afgenomen – niet significant, maar zeker niet toegenomen.

In feite is de stabiliteit over deze periode op zichzelf al interessant. De standaardafwijking van de versterking is 0,004 W/m2. In die periode varieerde de end-to-end efficiëntie van het hele kassensysteem nauwelijks. Ik heb al eerder geschreven over de verbazingwekkende stabiliteit van het systeem. Dit is daar een voorbeeld van.

Het bovenstaande toont aan dat de toename van de opwaartse straling aan het oppervlak niet het gevolg kan zijn van een verandering in de broeikasefficiëntie door een toename van CO2 of een andere oorzaak.  Maar wat is dàn de oorzaak van de temperatuurstijging? Hier zijn de grafieken van de twee datasets die samen de ‘broeikasversterker’ vormen: de opwaartse langgolvige oppervlaktestraling en de inkomende kortgolvige zonnestraling:

Fig. 3   Opwaartse warmtestraling aan het oppervlak (geel, linkerpaneel), en inkomende zonnestraling na albedo-reflecties (rood, rechterpaneel). De blauw/zwarte lijnen zijn LOWESS-smoothing van de gegevens.

In figuur 3 is te zien waarom de efficiëntie van het systeem nauwelijks varieerde: de langgolvige uitgaande straling aan het aardoppervlak nam vrijwel evenveel toe als de zonne-energie die het systeem binnenkwam.

Conclusie: we beschikken over observationeel bewijs dat de temperatuurstijging van 2000-2021 niet te wijten was aan een toename van broeikasgassen, noch aan een toename van de efficiëntie van het broeikaseffect door welke oorzaak dan ook. De efficiëntie is in die periode zeer stabiel geweest, met een standaardafwijking van 0,2% en zonder significante trend.

Aan de andere kant is de verandering in inkomende zonne-energie voldoende om de toename van de opwarming te verklaren, zoals te zien is bij vergelijking van beide LOWESS smoothlijnen in figuur 3. Hoewel er ongetwijfeld andere factoren in het spel zijn, is de belangrijkste oorzaak van de opwarming duidelijk de toename van de hoeveelheid zonne-energie na reflecties van de wolken en het oppervlak. Nogmaals: the clouds rule…

Wiskundige noot: Ik ben geneigd “opwaartse langgolvige straling aan het oppervlak” en “temperatuur” door elkaar te gebruiken. Ja, ik weet dat straling varieert als de vierde macht van de temperatuur, T4. Het verschil is echter triviaal in het nauwe bereik dat wordt getoond in bijvoorbeeld figuur 3.

Figuur 4 toont een vergelijking van de opwaartse langgolvige straling uit figuur 3 en de Stefan-Boltzmann afgeleide temperatuur. Beide signalen zijn vrijwel identiek:

Fig. 4   Temperatuur (geel, linkerschaal) en opwaartse langgolvige straling aan het oppervlak (rood, rechterschaal)