Gastartikel door Willis Eschenbach
WhatsUpWithThat 7 augustus 2022
We hebben een empirisch begrip van het effect van straling op objecten. Ik bedoel niet nucleaire straling, dat is iets anders. Ik heb het over dingen als zonnestraling, oftewel zonneschijn. In de klimaatwetenschap wordt zonnestraling ook wel “kortgolvige straling” genoemd, om het te onderscheiden van “langgolvige” infraroodstraling. Langgolvige warmtestraling wordt voortdurend door alles om ons heen uitgezonden, inclusief de atmosfeer. Nachtkijkers “zien” die langgolvige straling. Langgolvige straling is ook de reden waarom we de warmte van een hete gietijzeren kachel aan de andere kant van de kamer kunnen voelen: we voelen de warmte door die langgolvige straling op onze huid.
In de klimaatwetenschap wordt straling onderscheiden naar richting: ofwel opwaarts (naar de ruimte) ofwel neerwaarts (naar het aardoppervlak) en vaak aangeduid met afkortingen. Zo is downwelling shortwave radiation (zonneschijn) DSR. Upwelling shortwave radiation (zonnestraling die door het oppervlak en de wolken wordt gereflecteerd) is USR. Evenzo is upwelling longwave radiation (dat deel van de langgolvige infraroodstraling dat voortdurend door het oppervlak en de atmosfeer wordt uitgezonden en naar de ruimte gaat) ULR, en downwelling longwave radiation (dat deel van de langgolvige straling dat door de atmosfeer wordt uitgezonden en naar het aardoppervlak gaat) DLR.
Met dat als inleiding, zoals ik al schreef, hebben we een empirisch begrip van het effect van straling op objecten. Onze ervaring met het effect van zonnestraling is vrij eenvoudig: hoe meer straling een voorwerp absorbeert, des te warmer het wordt.
Dat lijkt onbetwistbaar waar, gebaseerd op zowel onze ervaringskennis als op de vergelijkingen met behulp waarvan we daadwerkelijk de hoeveelheid warmte voor een bepaalde hoeveelheid straling kunnen berekenen. We kunnen elke dag waarnemen hoe de zon opkomt en de aarde warmer wordt… simpele natuurkunde, toch?
Maar is het altijd waar dat als er meer straling wordt geabsorbeerd door een object, dat het object dan warmer wordt? Bedenk wat er gebeurt als je overdag in het zonnetje buiten loopt: je absorbeert onmiddellijk honderden Watts aan extra energie van de zon. Maar ondanks die absorptie van een grote hoeveelheid zonnestraling blijft je gemiddelde lichaamstemperatuur onveranderd. Méér straling heeft je blijkbaar niet warmer gemaakt.
We weten dat dat komt omdat het menselijk lichaam systemen heeft die onze temperatuur regelen. Systemen die het warmteverlies verhogen wanneer de geabsorbeerde straling toeneemt, die de geabsorbeerde energie verplaatsen naar een plek waar die aan de lucht kan worden afgegeven. Zou dat bij het klimaat anders werken?
Met dat in gedachten maak ik een kleine omweg. Er is een wiskundige maat die “correlatie” heet. Het meet de gelijkenis van twee datasets, en voor elk paar datasets heeft het een waarde ergens tussen -1 en +1. “Correlatie” meet of twee reeksen gegevens, bijvoorbeeld temperatuur en geabsorbeerde straling, in dezelfde richting bewegen. Een correlatie van +1 betekent dat de twee datasets altijd in dezelfde richting bewegen – als bijvoorbeeld de geabsorbeerde straling toeneemt, gaat de temperatuur altijd omhoog.
Een negatieve correlatie betekent dat de twee datasets over het algemeen in tegengestelde richting bewegen. Een correlatie van -1 betekent dat de twee datasets altijd in tegengestelde richting bewegen – als de ene stijgt, daalt de andere altijd. En een correlatie van 0 betekent dat er geen verband is tussen de veranderingen in de ene dataset en de veranderingen in de andere.
Laten we nu eens kijken naar de correlatie tussen de temperatuur van het aardoppervlak en de hoeveelheid straling die het oppervlak ontvangt. Volgens onze ervaring zou de correlatie sterk positief moeten zijn, wat betekent dat hoe meer straling door het planeetoppervlak wordt geabsorbeerd, des te warmer het zou moeten worden, en hoe minder straling wordt geabsorbeerd, des te koeler het zou moeten worden.
In figuur 1 wordt die correlatie per rastercel weergegeven aan de hand van de CERES satellietgegevens. Elke rastercel is 1° breedtegraad x 1° lengtegraad groot.
Figuur 1. Correlatie per rastercel van geabsorbeerde straling (kortgolvig+ langgolvig) en oppervlaktetemperatuur. Een rastercel is 1° breedtegraad x 1° lengtegraad.
Dit is een zeer interessant resultaat. Zonder uitzonderingen is de correlatie overal boven land precies wat we zouden verwachten: niet alleen positief, maar in het algemeen sterk positief. De totale correlatie over het land is 0,91, een sterke positieve correlatie, die ons inzicht in geabsorbeerde straling en temperatuur ondersteunt. Op het land stijgt de temperatuur inderdaad wanneer de geabsorbeerde straling toeneemt, en omgekeerd. Positieve correlatie. Eenvoudige natuurkunde.
Maar in grote delen van de tropische oceaan is er verbazingwekkend genoeg sprake van een negatieve correlatie. In tegenstelling tot wat we uit ervaring weten, in tegenstelling tot het centrale paradigma van de klimaatwetenschap, in tegenstelling tot de “eenvoudige natuurkunde”, maakt méér geabsorbeerde straling het aardoppervlak daar NIET warmer. Het maakt het oppervlak koeler, wat onmogelijk is als geabsorbeerde straling de temperatuur bepaalt.
Daaruit kunnen we concluderen dat de oorzaak in die gebieden omgekeerd is: in plaats van dat de totale geabsorbeerde straling de temperatuur bepaalt, bepaalt de temperatuur de totale geabsorbeerde straling.
Een belangrijk mechanisme dat deze schijnbare onmogelijkheid zou kunnen verklaren is het door de temperatuur gereguleerde ontstaan van cumulusvelden en onweersbuien. Deze nemen toe met toenemende temperatuur en verminderen dan sterk de hoeveelheid geabsorbeerde zonnestraling aan het oppervlak. En dus regelt de temperatuur de hoeveelheid geabsorbeerde zonnestraling, via wolken en onweersbuien. En dat is een zeer sterke regelaar. Hier is een scatterplot van het netto-effect van wolken op de neerwaartse straling versus de oppervlaktetemperatuur:
Figuur 2. Scatterplot, oceaantemperatuur versus totale verandering in neerwaartse straling door wolken (wolkenstralingseffect, “CRE”).
Merk op dat bij de hoogste temperaturen de wolken de totale neerwaartse straling (kortgolvig + langgolvig) met wel 60 W/m2 verminderen. Ter vergelijking: een verdubbeling van CO2 zou de straling met 3,7 W/m2 doen toenemen.
Vervolgens moet ik aantonen dat het fenomeen van omgekeerde oorzakelijkheid/negatieve correlatie in feite temperatuurgerelateerd is. Ik bedoel, het zou ook gewoon een eigenaardigheid van de tropische oceaan kunnen zijn die niet speciaal verband houdt met de temperatuur. Daarom maakte ik een scatterplot van het verband tussen de temperatuur en de correlatie in figuur 1. Dit is het resultaat:
Figuur 3. Scatterplot. De horizontale as toont de temperatuur van elke rastercel van 1° x 1°. De verticale as is de correlatie tussen absorptie en temperatuur in die rastercel. Het vak rechtsonder omvat alle rastercellen met een negatieve correlatie tussen de geabsorbeerde straling en de temperatuur.
Een paar dingen worden duidelijk. Ten eerste: de omkering van oorzaak en gevolg die leidt tot de negatieve correlatie van absorptie en temperatuur treedt alleen op bij oceaantemperaturen boven ~ 23°C. Ten tweede: in dat gebied rechtsonder met alle rastercellen met een negatieve correlatie, geldt: hoe hoger de temperatuur, hoe groter de maximaal waargenomen negatieve correlatie. Dit is dus een sterk bewijs voor het idee dat het ontstaan van negatieve correlatie inderdaad op de temperatuur gebaseerd is. Het toont weliswaar de gemiddelde omstandigheden over de periode van het satellietbestand, maar dit is slechts een lange-termijn berekening. We moeten nog onderzoeken wat er in de rastercellen gebeurt als de temperaturen in de loop van de tijd stijgen en dalen.
Mijn hypothese is dat de oppervlaktetemperatuur wordt geregeld door verschijnselen zoals tropische cumulusvelden en onweersbuien. Als dat het geval is, dan zou de sterkte van deze negatieve correlatie moeten afnemen naarmate de temperatuur stijgt. Dat zou betekenen dat het oceaanoppervlak waar de correlatie negatief is groter moet zijn in de zomer wanneer de oceaan warmer is, en dat het gebied met de negatieve correlatie kleiner moet zijn in de winter wanneer de oceaan koeler is. Dus ging ik aan het rekenen en maakte een grafiek. Natuurlijk moest ik daarvoor de gegevens opsplitsen in rastercellen op het noordelijk en zuidelijk halfrond, omdat de seizoenen op beide halfronden omgekeerd zijn:
Figuur 4. Maandelijkse variaties in het oceaangebied waar de temperatuur en de geabsorbeerde straling negatief gecorreleerd zijn.
Als mijn hypothese juist is, is het aannemelijk dat het gebied met een negatieve correlatie op het noordelijk halfrond (rode lijn) het grootst in de zomer. In feite is de piek ongeveer 50% groter in de zomer dan het winterminimum. Op hetzelfde moment is het gebied op het zuidelijk halfrond (blauwe lijn) minimaal van grootte, omdat het op het zuidelijk halfrond dan winter is. De schommeling op het zuidelijk halfrond is nog groter, waarbij het maximum oppervlak van het gebied met negatieve correlatie bijna tweemaal zo groot is als het minimum oppervlak. Beide methoden tonen dus aan dat de negatieve correlatie inderdaad een functie is van de temperatuur.
Samenvattend: Wanneer de temperatuur van de oceaan hoog genoeg wordt, valt de normale, “eenvoudige natuurkunde” van positieve correlatie tussen geabsorbeerde straling en de resulterende temperatuurstijging weg, en wordt de correlatie tussen straling en temperatuur negatief. Hierdoor daalt de temperatuur van het oceaanoppervlak. Het is een van de fenomenen die samen de warmte van de planeet reguleren.
Hoe goed is deze planetaire warmteregulatie? Ondanks het feit dat wij leven op een planeet die in evenwicht is bij een temperatuur van ongeveer 50°C warmer dan het zou zijn zonder broeikasgassen, een wereld die geregeld wordt door wolken, winden en golven, een wereld waar de temperatuur van het land van zomer tot winter met wel ± 30°C (± 10%) kan variëren, en de temperatuur van de oceaan met ± 8°C (± 3%) schommelt van zomer tot winter… ondanks al die dagelijkse en maandelijkse schommelingen, varieerde de wereldgemiddelde temperatuur slechts met ± 0,4°C (± 0,1%) gedurende de hele 20e eeuw.
Voor mij is dit de grote onbeantwoorde vraag in de klimaatwetenschap: niet waarom de temperatuur varieert, maar waarom hij zo weinig varieert. En het bestaan van de hierboven besproken negatieve correlatie is een bewijs dat “eenvoudige natuurkunde” volledig ontoereikend is om het ongelooflijk complexe, chaotische klimaatsysteem te verklaren.
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.
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.
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.
Fig. 4 Temperatuur (geel, linkerschaal) en opwaartse langgolvige straling aan het oppervlak (rood, rechterschaal)
Figuur 3. Scatterplot, waarbij elke stip een maand is. Voor elke maand toont de x-as de geabsorbeerde straling van die maand, en de y-as de temperatuur van diezelfde maand.
Figuur 4. Geabsorbeerde totale straling aan het oppervlak (blauw, rechter schaal) versus temperatuur (rood, linker schaal). De totale straling is de som van de neerwaartse langgolvige straling van de atmosfeer, plus de kortgolvige zonnestraling. Ook de theoretische toename van CO2- forcering over de periode (geel/zwarte lijn) en de trend van de totale geabsorbeerde straling (gestippelde cyaan/zwarte lijn) zijn ingetekend. De gestippelde horizontale zwarte lijn laat zien wat er zou gebeuren als de geabsorbeerde straling aan het oppervlak niet zou toenemen.
Fig.1 Bron: 
Fig.2 Bron: CERES
Fig.3 Bron: CERES
Fig.5 Bron: 
Fig.3 Bron: 
Fig.4 Bron: 
Fig.1 Bron: