Gastbijdrage door Willis Eschenbach

Origineel in Engels: WUWT

Ik ben de afgelopen week op een bijzonder curieuze zoektocht geweest. Ik wilde al mijn WUWT-artikelen downloaden om ze om te zetten in e-books over verschillende onderwerpen. Om dat te doen, moest ik natuurlijk een aantal van mijn vroegste artikelen herzien. Bedenk wel: deze huidige analyse is het 1.051e artikel dat ik op WUWT heb geplaatst, dus het verbaast me niet dat ik me sommige helemaal niet meer herinner. Dat maakt het tot een interessante reis naar het verleden. Sommige artikelen bevatten theoretische veronderstellingen waarvoor ik destijds niet over de gegevens, computervaardigheden of gespecialiseerde functies beschikte die ik nu wel heb. Tegenwoordig kan ik een hele reeks data-analyses uitvoeren en visualiseren in de programmeertaal “R”.

Mijn eerste artikel voor WUWT was The Thermostat Hypothesis. Een versie daarvan werd later gepubliceerd als een wetenschappelijk artikel onder de naam The Thunderstorm Thermostat Hypothesis: How Clouds And Thunderstorms Control The Earth’s Temperature.

In dat artikel en in de publicatie legde ik mijn visie uit op hoe tropische onweersbuien en cumuluswolkenvelden functioneren als temperatuurregelaar van de tropen, en dus ook van de wereldtemperatuur. In de daaropvolgende jaren besefte ik dat dit mijn eerste teken was van wat ik later zag als een veel grotere verscheidenheid aan overlappende, individuele “emergente” klimaatverschijnselen die temperatuurvariaties tegenwerken.

Wat is een “emergent” verschijnsel eigenlijk? Laat ik mezelf citeren uit mijn artikel Emergent Climate Phenomena, dat ik je aanraad even te lezen. Een gemeenschappelijk kenmerk van emergente verschijnselen is dat het stroomsystemen zijn die ver van evenwicht opereren. Daardoor moeten ze zich voortdurend ontwikkelen en veranderen om te blijven bestaan. Ze zijn mobiel en veranderlijk, niet vast of onveranderlijk. En lokaal (dus uiteraard niet wereldwijd) kunnen ze entropie omkeren (de omgeving organiseren). Een andere naam voor emergente verschijnselen is dan ook “zelf-georganiseerde verschijnselen”.

Een ander kenmerk is dat ze spontaan ontstaan wanneer de omstandigheden goed zijn. Ze hoeven niet kunstmatig te worden opgewekt. Ze komen voort uit de achtergrond als reactie op lokale omstandigheden (temperatuur, vochtigheid, enz.) die een bepaalde drempel overschrijden.

Daarnaast hebben ze vaak een beperkte levensduur. Daarmee bedoel ik dat ze op een bepaald moment en op een bepaalde plaats ontstaan — meestal wanneer een lokale natuurlijke drempel wordt overschreden — waarna ze een bepaalde tijd blijven bestaan, en daarna verdwijnen. Wolken zijn daar een uitstekend voorbeeld van, net als onze eindige levensduur.

Emergente verschijnselen zijn ook meestal niet cyclisch, of hooguit pseudo-cyclisch. Ze herhalen zich niet op een regelmatige, geordende manier. Ze kunnen zich vaak vrij bewegen, en als dat zo is, is hun beweging moeilijk te voorspellen (zoals bij orkanen).

Een ander kenmerk is dat ze vaak gebaseerd zijn op temperatuur-drempelwaarden, meestal een lokaal temperatuurverschil. Ze verschijnen zelden onder die drempel, maar erboven kan hun aantal snel toenemen. Ook zijn ze vaak verbonden aan faseveranderingen in vloeistoffen — bijvoorbeeld wolken ontstaan door faseverandering van water.

Een laatste cruciaal kenmerk van drempel-gebaseerde emergente systemen: ze vertonen “overshoot” of hysteresis. In het geval van Rayleigh-Bénard-circulatie duurt het even voordat het systeem op gang komt bij een bepaalde temperatuurgradiënt. Maar als het eenmaal draait, blijft het functioneren, zelfs wanneer de temperatuur onder die drempel zakt. Deze hysteresis is nodig om systemen met vertraging succesvol te reguleren, systemen waarbij de reactie op veranderingen niet onmiddellijk is.

Samengevat: enkele kenmerken van emergente verschijnselen zijn:

• Stroomsystemen ver van evenwicht die spontaan ontstaan, vaak door een kritische (temperatuur)grens te overschrijden;
• Hun eigenschappen zijn niet voorspelbaar op basis van de onderdelen waaruit ze bestaan — niets in water- of luchtmoleculen voorspelt bliksem;
• Ze gedragen zich onvoorspelbaar;
• Vaak verbonden aan faseveranderingen;
• Ze vertonen vaak hysteresis (overshoot);
• Ze hebben een levensduur van begin tot einde;
• Hun patronen ontstaan uit vele kleine interacties.

Voor mij verklaart een en ander twee zaken. In de eerste plaats waarom moderne, geavanceerde weersmodellen maar een paar dagen vooruit betrouwbaar zijn — emergente verschijnselen zijn per definitie onvoorspelbaar. In de tweede plaats: moderne weer- en klimaatmodellen bevatten geen spontaan ontstane tropische onweersbuien. Het besef van spontane emergentie ontbreekt volledig.

Men probeert dus iets te analyseren dat niet bestaat — een wereld zonder emergente fenomenen — en doet dat met methodes die niet geschikt zijn voor de wereld die wél bestaat: een wereld die juist wordt gedomineerd door emergente fenomenen. Zie mijn artikel The Details Are In The Devil waarom dit simpelweg niet werkt.

Maar ik dwaal af. Tijdens het herlezen van die oude posts besefte ik dat ik nu beter in staat ben om de nauwkeurigheid van mijn eerdere beweringen over wolken en onweersbuien te testen. Mijn hypothese toen was dat wolken zowel opwaartse als neerwaartse temperatuurschommelingen tegengaan. Ik noemde ze een regulator (governor) in plaats van een eenvoudige feedback-reactie.

Klimaatwetenschappers spreken van “cloud feedback”. Maar wat wolken doen, is niet een ‘gewone’  lineaire feedback zoals die waar het IPCC over spreekt. Negatieve feedback zou alleen opwarming tegenwerken — hoe warmer, hoe sterker de tegenreactie.

Maar wolken zijn anders. Wolken en onweersbuien functioneren als een thermoregulerende regelaar. Ze vertragen niet alleen opwarming, ze verwarmen het oppervlak als het koud is en koelen het als het warm is. Vandaar dit artikel: ik bedacht een nieuwe manier om aan te tonen dat bovenstaande klopt. Uitleg:

De CERES-dataset bevat gegevens per graad (1° x 1°) over het “Surface Cloud Radiative Effect” (oppervlakte-wolkenstralingseffect), kortweg “CRE”. CRE is het verschil in stralingsenergie die het oppervlak bereikt mét of zonder wolken. Er zijn twee soorten: kortgolvig (zonlicht) en langgolvig (warmtestraling uit de atmosfeer). Samen vormen die het netto-effect van wolken, wat — afhankelijk van situatie en type wolk — zowel opwarming als afkoeling van het oppervlak kan betekenen.

Een negatieve CRE betekent dat wolken het oppervlak op die plek koelen, een positieve waarde betekent dat ze het verwarmen. Laat ik beginnen met een mondiaal overzicht van het CRE, om te laten zien waar wolken verwarmen of koelen en in welke mate.

Fig. 1  Wereldwijde CRE (netto effect van kort- en langgolvige straling). Negatief = koelend, positief = verwarmend.

We zien een netto koelend effect van ongeveer -19 W/m². Maar dit laat niet zien hoe het effect verandert als de temperatuur op een locatie hoger of lager is dan het gemiddelde. Dat is wat het IPCC bedoelt met “cloud feedback”: ze beweren dat die positief is — dus dat wolken bij opwarming die opwarming versterken. Ik vond die claim altijd al zeer onwaarschijnlijk.

Voor mijn nieuwe aanpak keek ik naar het verschil tussen seizoensgebonden CRE (zomer en winter) en het jaarlijkse gemiddelde. Ik nam wereldkaarten van CRE in de zomer en winter, en trok daar telkens de kaart uit Figuur 1 van af. Daarna nam ik gemiddelde waarden per breedtegraad. Het resultaat:

Fig. 2   Verschil per graad breedte tussen seizoens-CRE (zomer/winter) en jaarlijks gemiddelde.

Het resultaat verraste me. Het verschil is groot, regelmatig, en duidelijk. In het noordelijk halfrond tot 110 W/m² verschil, in het zuidelijk halfrond zelfs 160 W/m².

Bovendien: in de zomer koelen wolken het hele halfrond, van pool tot evenaar. In de winter doen wolken het tegenovergestelde: ze verwarmen het hele halfrond. Anders gezegd: als het warmer is dan normaal, koelen wolken het oppervlak; als het kouder is dan normaal, verwarmen ze het.

Aangemoedigd door deze bevinding, maakte ik kaarten van de wereld met die verschillen.

Fig. 3   Zomer- en winterverschillen in CRE ten opzichte van het jaar gemiddelde.

Dit geeft ons een andere blik op hoe het CRE verandert met de seizoenen. In de winter zorgen wolken voor extra opwarming, in de zomer voor extra afkoeling.

De wetenschappelijke toets van een hypothese is of ze leidt tot succesvolle, toetsbare voorspellingen. En de bovenstaande figuren bevestigen precies de voorspelling die ik vijftien jaar geleden deed: dat wolken en onweersbuien de aarde verwarmen wanneer het koud is, en koelen wanneer het warm is… wat valt daar níet aan te waarderen?