Wolken spelen een merkwaardige dubbelrol in de stralingsbalans van de aarde. Enerzijds houden ze kortgolvige straling van de zon tegen, anderzijds absorberen ze infraroodstraling en stralen ze infrarood uit naar de ruimte. Wolken verminderen de totale hoeveelheid geabsorbeerde zonnestraling met 50 W/m2, maar reduceren de totale uitgestraalde energie met 30 W/m2. Het totale effect van wolken is derhalve negatief: – 20W/m2 , vooral als gevolg van de dominante invloed van de albedo (reflectie zonlicht bovenzijde wolken) . Het zal duidelijk zijn dat deze waarden sterk wisselen, afhankelijk van de bewolkingsgraad en dikte. Op lagere breedte (tropen) is het afkoelende effect van wolken zelfs 50 – 100 W/m2, terwijl op hogere breedtes de effecten op instraling en uitstraling elkaar ongeveer in evenwicht houden.

De albedo van wolken varieert van minder dan 10% tot meer dan 90% en hangt af van de grootte van de druppels, of de wolk uit water of ijs bestaat, van dikte van de wolk, en van de hoek van instraling van het zonlicht. Hoe kleiner de druppels en hoe groter de vloeibare waterinhoud, hoe groter de albedo van een wolk.

Laaghangende, dikke wolken (zoals cumulus) hebben een hoge albedo, en daardoor een negatieve feedback: ze koelen de aarde af. Hoge, dunne wolken (zoals cirrus) hebben een lagere albedo maar hebben een hogere positieve feedback. Zij dragen bij aan het broeikaseffect. De meest recente onderzoeken naar de invloed van wolken op de energiebalans van de aarde wijzen wel op een gemiddelde negatieve feedback van wolken. Dat wil zeggen dat  bij wolken het tegenhouden van kortgolvige zonnestraling gemiddeld groter is dan het  tegenhouden van warmtestraling vanaf de aarde ( Joel R. Norris and Anthony Slingo, 2009, in: Clouds in the Perturbed Climate System, Massachusetts Institute of Technology and
the Frankfurt Institute for Advanced Studies).

De belangrijkste oorzaak van het feit dat de diverse klimaatmodellen voor wat betreft de klimaateffecten van het versterkt broeikaseffect zulke diverse uitkomsten vertonen is vooral gelegen in de verschillen tussen de modellen van wolkenprocessen en wolkenfeedbacks. Die verschillen tussen de diverse GCM’s (General Climate Models) voor wat betreft de wolkenfeedback zijn grofweg 3x groter dan de waterdampfeedback, de opname van warmte door de oceanen of de stralingsfeedback.. ( Dufresne & Bony, 2008 ). De tekortkomingen in de rol van met name ijswolken in de GCM’s leiden tot grote onvolkomenheden in de voorspellingen van de diverse modellen. ( Walliser, 2009 ).

Twee citaten uit het meest recente standaardwerk over wolken en klimaat (Jost Heintzenberg and Robert J. Charlson  (2009),Clouds in the Perturbed Climate System, Massachusetts Institute of Technology and the Frankfurt Institute for Advanced Studies) :

“Clouds, however, constitute the largest source of uncertainty in the climate system, and there are solid reasons why our knowledge of clouds and their related processes is very limited.  ……address the shortcomings that arise in atmospheric models attributable to the interactions between resolved and unresolved (i.e., parameterized) cloud-related processes. These problems occur because it is necessary to consider simultaneously a wide range of scales of cloud-related processes, from molecular to global“.

Wolken koelen de aarde af
De bewijzen  stapelen zich op: wolken hebben netto een afkoelende werking op de oppervlaktetemperatuur van de aarde. Dat is op te maken uit een recente publicatie van Richard Allan van de universiteit van Reading in Groot-Brittannië  genaamd  “Combining satellite data and models to estimate cloud radiative effect at the surface and in the atmosphere ”.  Allan gebruikte voor zijn onderzoek naar het gedrag van wolken op de stralingbalans een tweetal bronnen, namelijk meetgegevens van GERB satelliet en het Numerical Weather Prediction ( NWP) model  van Met Office in Groot-Brittannië.

Het gedrag van wolken in de stralingsbalans is de achilleshiel van de vigerende klimaatmodellen. NASA schrijft op haar website: “Ultimately, we are searching for a set of mathematical models that allow us to span the incredibly large range of space and time scales important to aerosols, water vapor, clouds, the land surface, and the oceans. These models must be capable of reproducing the variability shown in the data at both regional and global scales. They must be capable of reproducing El Niño, the Earth’s diurnal and seasonal cycles, and the inter-annual variability in the climate system. The models must also be capable of reproducing the systematic changes in the radiative energy balance with changing aerosols, water vapor, clouds, and surface properties. Only then can we begin to trust the models to produce accurate global change predictions.” .

Vereenvoudigde stralingsbalans.  Bron:  Allison, Mead A., Arthur T. DeGaetano, Jay M. Pasachoff

Joel Norris en Anthony Slingo merken in ‘Clouds in the Perturbed Climate System’ op:
“The response of clouds and their radiative effects to global warming represents a longstanding and considerable area of uncertainty in our understanding of climate change. At present, it is not known whether changes in cloudiness will exacerbate, mitigate, or have little effect on the increasing global surface temperature caused by anthropogenic greenhouse radiative forcing. Another substantial uncertainty is the magnitude of radiative forcing resulting from the modification of cloud properties by anthropogenic aerosols. Global climate models provide scant reliable insight regarding these issues because of their inability to parameterize correctly or otherwise represent the small-scale convective, turbulent, and microphysical processes that control cloud properties. It is therefore crucial to document and assess global and regional low-frequency variations in clouds and radiation flux that have occurred over the past several decades, a period marked by rapidly rising temperature and changes in anthropogenic aerosol emissions. This will enable us to estimate from observations how clouds and their impacts on the radiation budget are responding to global warming and aerosol changes. Moreover, a trustworthy observational record will provide a good constraint on global climate model simulations.”.

Het is daarom opmerkelijk dat alle vigerende klimaatmodellen ondanks bovenbeschreven grote onzekerheden uitgaan van een netto positieve tegenkoppeling van wolken ten aanzien van de temperatuur aan het aardoppervlak. Stijgende oppervlaktetemperaturen betekenen meer verdamping en meer wolkvorming. Alle modellen gaan uit van een versterkt broeikaseffect als gevolg van deze extra wolkvorming.

De afgelopen tijd hebben 2 publicaties al deuken geslagen in de hypothese van de veronderstelde gedrag van wolken in de stralingsbalans.  Die publicaties van Lindzen en Choi en van Spencer en Braswell hebben in klimatologenland veel stof doen opwaaien, hetgeen aantoont dat de kwestie uiterst gevoelig ligt. Dat is niet verwonderlijk, omdat de geloofwaardigheid van de door het IPCC gebruikte klimaatmodellen in het geding is, en daarmee haar voorspellingen over de opwarming van de aarde.

Nu heeft Richard Allan van de Universiteit van Reading in Groot-Brittannië zich aangesloten bij Lindzen en Spencer. Hij komt tot de conclusie dat het netto effect van wolken op aarde negatief is: wolken koelen de aarde af met -21 W/m2. Hoe is Allan te werk gegaan? Zoals hiervoor al beschreven is het gedrag van wolken in de stralingsbalans  niet eenvoudig te duiden. Dat is al onmiddellijk duidelijk als we de volgende 2 figuren bekijken:

Satellietbeelden van de SEVIRI geostationaire  satelliet. Links 10.8 μm infra-rood kanaal  en rechts  0.8 μm zichtbaar kanaal, op 2 maart 2011  om 12 uur UTC. Bron EUMETSAT/ Met Office.

Op beide beelden zijn wolken licht afgebeeld.  Op het linkerbeeld (IR) is dat het gevolg van het feit dat wolken een lage IR-uitstraling naar boven hebben en een grote albedo voor kortgolvige straling (zonlicht). In het rechterbeeld zijn er grote wolkenpartijen in het koufront voor de kust van Europa, met sterk stijgende lucht tot relatief grote hoogte. De wolkentoppen zijn daardoor koud en stralen weinig IR naar boven.

Op het beeld van de zichtbare straling valt op dat er veel meer wolken zichtbaar zijn dan op het beeld van IR. Het betreft vooral wolkenformaties boven de  Atlantische Oceaan die uit lage wolken bestaan. Deze wolken bevatten relatief veel waterdruppels en hebben daardoor een hoge albedo. De IR uitstraling naar boven is gering vanwege de relatief hoge temperaturen in de wolktoppen.

Allan concludeert dat de hoogte en de optische dikte van wolken de netto invloed op de stralingsbalans bepalen. Die netto invloed bestaat uit een opwarmend effect van wolken op de oppervlaktetemperatuur (versterkt broeikaseffect) en een afkoelend effect als gevolg van schaduwvorming. In dit alles spelen uiteraard de afwisseling dag/nacht en de seizoenen een grote rol.

                       Stralingsgedrag van wolken op 1200 UTC , 24 april 2011, berekend door combinatie van GERB satelliet data en NWP model clear-sky fluxes.  (a) LWCF (c) −SWCF and calculated using the model analysis field simulated (b) LWCF  and (d) −SWCF.

De gebruikte methode is om simulaties van zogenaamde clear-sky radiation te combineren met satelliet meetgegevens. Op bovenstaande figuren is dat weergegeven:  kortgolvige en langgolvige uitstraling naar boven van wolken boven Afrika en de Atlantische Oceaan.

LWCR =  long wave cloud radiation, ORL =  Outgoing Longwave Radiation , OLRc = Outgoing Longwave Radiation voor clear sky.  In formule:   LWCR = OLRc – OLR. Voor de kortgolvige straling geldt m.m.:  SWCF = RSWc – RSW.

De sterkste LWCF  ( > 100 W/m2)  en SWCF ( < -400 W/m2) zijn te vinden in de gebieden met een tropisch regenwoudklimaat.  De zeer hoogreikende altocumili zorgen voor een grote albedo en een relatief zwakke langgolvige uitstraling als gevolg van de lage temperaturen op grote hoogte.

Op bovenstaande figuur zijn kortgolvige, langgolvige en nettostraling  weergegeven. De data zijn relatieve waarden ten opzichte van de clear sky –waarden. De gegevens zijn afkomstig van CERES satellietdata  2001-2007. De figuur toont dat wolken kortgolvige straling tot  ~100 Watt/m2 reduceren in met name regio’s met frontale systemen, de tropen (ITCZ) en de westelijke kustgebieden van Noord-Amerika, Zuid-Amerika en Afrika.  De LWCF is het sterkt in de tropen: tropische cumulonimbus wolken  die tot aan de stratosfeer reiken zorgen voor een afkoeling tot 70 Watt/m2.  Maar ook de marine strocumulus en de wolken in frontsystemen koelen  tot voorbij 50 Watt/m2. Boven de woestijnen en poolgebieden is de NCF ook klein als gevolg van het geringe broeikaseffect door wolken en de grotere uitstraling en albedo.

Nadat is vastgesteld dat er globaal sprake is van een netto koeling door wolken , is de vraag waar die koeling plaats vindt. Is dat aan het aardoppervlak of in de atmosfeer? Het antwoord op deze vraag is van groot belang, omdat dan inzicht ontstaat in de verbanden tussen de energiestromen op aarde en de waterkringlopen. De figuur toont schattingen van het ‘cloud radiative effect’ vanaf TOA (top of atmosphere) , de atmosfeer en het aardoppervlak. Daarbij wordt gebruik gemaakt van de NASA Surface Radiation Budget (SRB)  dataset, dat stralingsmodellen combineert met satellietmetingen  van wolkeigenschappen  uit het ISCCP  (International Satellite Cloud Climatology Project).

Er is sprake van een netto afkoeling van de atmosfeer van ~100 Watt/m2, gecompenseerd door de aanvoer van latente en voelbare warmte vanaf het aardoppervlak. Zie de stralingsbalans volgens Trenberth (2009)  hieronder.

                                                                                     Bron: Trenberth

Allan heeft vervolgens de data van SRB uit de een na laatste figuur gebruikt om het ‘cloud radiative effect’  zonaal te duiden. In onderstaande grafieken zijn daarvan de resultaten te zien.

Voor de temperaturen aan het aardoppervlak is met name de grafiek c van belang. Tussen  ~65° NB en 65° ZB is het  netto cloud radiative effect negatief. Alleen in de  poolstreken is de netto cloud feedback positief , voornamelijk vanwege het minder negatieve kortgolvige cloud radiative effect aldaar (SWCF). De door Allan berekende NCF voor de gehele aarde van 21 Watt/m2 is vergelijkbaar met de uitkomsten  van Su et al. (2010).

                                                                                                Bron:  Su et al. 2010

Conclusies van Allan:  de netto afkoeling door wolken op aarde is 21 Watt/m2, wat overeenkomt met de publicaties vanRamanthan et al.  (1989) en Su et al. (2010).

                                                                                Bron:  Ramanthan et al. 1989

Het is overigens opmerkelijk dat Ramanthan et al. al in 1989  tot gelijkluidende conclusies kwamen. Dat onderzoek was beperkt tot de toen voorhanden zijnde data van de ERBE satelliet die pas van 1984 in de ruimte was. Ramanthan et al. hebben zich noodgedwongen beperkt tot gegevens van 1985 en 1986. In het Abstract schrijven Ramanthan et al.:

                                                                                       Bron:  Ramanthan et al. 1989

Wellicht nog interessanter zijn de laatste conclusies van de onderzoekers:

                                                                                Bron:  Ramanthan et al. 1989