Omvang van de klimaatgevoeligheid

De zorgen die er zijn over de opwarming van de aarde zijn volledig gebaseerd op het broeikasteffect. De klimaatmodellen die het IPCC gebruikt om hiervoor te waarschuwen, zijn helemaal gebaseerd op de veronderstelling dat een toename van de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer een opwarmend effect heeft. In het artikel Wat is de samenhang tussen CO₂ en temperatuur? is al aangetoond dat normaal gesproken het effect precies omgekeerd is: een stijging van de temperatuur zorgt voor een hogere CO₂-concentratie in de atmosfeer. De hogere concentratie is dan ook voor een groot deel het gevolg van de recente opwarming. Maar tegelijkertijd zorgt die hogere concentratie ook voor extra opwarming. De vraag is echter hoe groot dat effect is. Daarover bestaat in de wetenschap weinig overeenstemming.

Het IPCC gaat ervan uit dat een verdubbeling van de CO₂-concentratie een opwarming veroorzaakt van 1,5 tot 4,5 °C. De grote marge geeft al aan dat er veel onzekerheid is over de juiste omvang. De verschillende onderzoeken over dit onderwerp zijn dan ook allesbehalve eensluidend. Veel onderzoekers zijn van mening dat zelfs de ondergrens van 1,5 °C nog (veel) te hoog is. Op de klimaatwebsite NoTricksZone zijn samenvattingen van meer dan 130 wetenschappelijke artikelen te vinden die allemaal uitkomen op een klimaatgevoeligheid die veel lager ligt dan wat het IPCC veronderstelt, in de meeste gevallen ruim onder de 1°C.

Het directe CO₂-effect (klimaatgevoeligheid)

In de beschrijving van het broeikaseffect is aangegeven dat volgens deze theorie een verdubbeling van de CO₂-concentratie ruim 1°C temperatuurstijging tot gevolg heeft. Dit is het directe stralingseffect van CO₂. Broeikasgassen zoals CO₂ kunnen warmtestraling afkomstig van de aarde absorberen. De mate waarin dat gebeurt, hangt af van de golflengte van de straling. Voor CO₂ gaat het om drie smalle bandjes rond 2,7, 4,3 en 15 μm. Golven met een andere golflengte ondervinden van CO₂ geen hinder.

Sinds de publicatie van Alfred Schack uit 1972 is bekend dat bij een concentratie van 300 ppm (0,03%) vrijwel alle straling al wordt geabsorbeerd in de banden waarin CO₂ invloed heeft. Een verdere verhoging van de concentratie heeft vrijwel geen invloed meer omdat bij 0,03% de werking al bijna 100% is. Het is te vergelijken met gordijnen in een kamer die het daglicht tegenhouden. Door twee gordijnen achter elkaar op te hangen komt er al vrijwel geen licht meer doorheen; nog meer gordijnen heeft een verwaarloosbaar effect.

Het verschil tussen de groene lijn en de zwarte lijn is aanzienlijk, terwijl het verschil tussen de zwarte en de rode lijn heel klein is (3 W/m² of minder dan 1%). Het laat zien dat kooldioxide een belangrijk broeikasgas is, maar dat er bij het huidige niveau al grotendeels verzadiging is bereikt. Zelfs een verdubbeling heeft nog maar minimaal effect.

Interessant is ook het onderzoek van David Coe et al. waarin de klimaatgevoeligheid van broeikasgassen is berekend door uit te gaan van de 33 °C hogere temperatuur aan het aardoppervlak als gevolg van het broeikasgaseffect. De auteurs concluderen dat water verantwoordelijk is voor 29,4 °C opwarming, CO₂ voor 3,3 °C en de andere broeikasgassen 0,3 °C. Vervolgens extrapoleren zij dat resultaat om veranderingen in de concentraties te berekenen. De klimaatgevoeligheid voor toekomstige stijgingen van de CO₂-concentratie bedraagt 0,5 °C, inclusief het positieve terugkoppelingseffect van water (zie hieronder). De klimaatgevoeligheden van de overige broeikasgassen zijn verwaarloosbaar.

Terugkoppeleffecten

Als de temperatuur verandert onder invloed van CO₂ kunnen ook andere processen veranderen die het effect versterken (positieve terugkoppeling) of verzwakken (negatieve terugkoppeling). De meeste discussie in de wetenschap gaat juist over deze terugkoppeleffecten. De drie belangrijkste terugkoppelingen zijn waterdamp, albedo (de reflectie van het zonlicht) en wolken.

Waterdamp

Een warmere atmosfeer kan meer waterdamp bevatten en waterdamp is zelf ook een krachtig broeikasgas. Waterdamp versterkt in principe dus het effect van CO₂ en zorgt daarmee voor een positieve terugkoppeling. In het AR5 rapport van het IPCC (2013) wordt het effect wordt ongeveer even groot ingeschat als dat van CO₂ zelf. In het nieuwste rapport (AR6) gaat het zelfs om een toename van +120%. Op deze grote positieve terugkoppeling is veel kritiek gekomen.

Uit een recente studie van Koutsoyiannis blijkt bijvoorbeeld dat de luchtvochtigheid in werkelijkheid veel minder sterk stijgt dan tot nu wordt aangenomen. In plaats van een stijging van 6 tot 7% per graad Celcius laten de gegevens van drie verschillende satellietsystemen in de periode 1948 tot 2020 geen stijging of zelfs een daling zien. Het belangrijkste argument van het IPCC voor de hoge klimaatgevoeligheid staat hiermee op losse schroeven.

Maar zelfs als de luchtvochtigheid wel stijgt, is het effect daarvan op de temperatuur volgens veel wetenschappers kleiner dan het IPCC veronderstelt. Het IPCC houdt bijvoorbeeld geen rekening met het feit dat waterdamp niet alleen lange golfstraling absorbeert, maar ook korte golfstraling (zonlicht), dat juist zorgt voor een negatieve terugkoppeling. Het belangrijkste punt is echter dat de berekeningen van het IPCC gebaseerd zijn op omstandigheden bij heldere hemel. In werkelijkheid is de aardbol voor gemiddeld 66% bedekt met wolken, waardoor het temperatuureffect veel kleiner wordt.

In een berekening op basis van de stralingsgegevens uit de Hitran-database blijkt dat als je rekening houdt met al deze effecten de terugkoppeling van waterdamp maar een versterking oplevert van het directe broeikaseffect van 14%. Dit komt overeen met 0,14 °C in plaats van 1,5 °C die het IPCC gebruikt. Bron: Harde (2022): "How Much CO2 and the Sun Contribute to Global Warming: Comparison of Simulated Temperature Trends with Last Century Observations"

Albedo

De opwarming onder invloed van CO₂ kan tot gevolg hebben dat de sneeuw- en zeeijsbedekking afneemt. Het algemene idee is dat de aarde hierdoor minder zonlicht reflecteert en daarmee ook voor een postieve feedback zorgt. Ook het IPCC gaat hiervan uit. Peter Stallinga heeft in een onderzoek uit 2017 laten zien dat de reflectie van water afhankelijk is van de hoek waarmee het licht invalt. Als het licht onder een kleine hoek invalt (zoals in de buurt van de polen), dan is de reflectie van water groter dan van ijs. Zie afbeelding 1. Omdat ijs meer in de buurt van polen is dan nabij de evenaar, zorgt het in praktijk dus voor een negatieve terugkoppeling.

Wolken

De meeste onduidelijkheid in de wetenschap is de terugkoppeling als gevolg van wolken. Het blijkt zeer lastig te zijn om wolken te simuleren, laat staan om te voorspellen hoe de wolkenbedekking in de toekomst zal veranderen. In dit en dit artikel is de invloed van bewolking uitgebreider beschreven.

De processen in het klimaat zijn bijzonder complex, waardoor het moeilijk te voorspellen is wat de gevolgen zijn van een enkele verandering. Door de grote interactie tussen de vele factoren die het klimaat bepalen, treden er vaak onverwachte effecten op. Daar komt bij dat er naast CO₂ andere factoren zijn die mogelijk een veel grotere invloed hebben. Het gaat daarbij met name om de zon en daarmee samenhangend de hoeveelheid bewolking.

Historische gegevens

De inschatting van het effect van CO₂ op het klimaat is vooral gebaseerd op theoretische beschouwingen. Het probleem daarbij is dat het klimaat bijzonder complex en chaotisch is, waarbij er veel onzekerheid is over de terugkoppeleffecten. Bovendien spelen de veranderingen zich (per definitie) af over een tijdstermijn van tientallen jaren, waardoor voorspellingen moeilijk te toetsen zijn. Voor een inschatting van de klimaatgevoeligheid is het daarom goed om naar historische gegevens te kijken om te zien welke verbanden wel of niet aannemelijk zijn.

De wetenschappers Nic Lewis en Judith Curry hebben in een onderzoek in 2014 de klimaatgevoeligheid op een nauwkeurige manier berekend door historische CO₂- en temperatuurreeksen te onderzoeken. De onderzoekers nemen daarbij aan dat alle opwarming sinds 1850 door broeikasgassen is veroorzaakt; mogelijke andere opwarmende factoren hebben ze buiten beschouwing gelaten.

Lewis en Curry komen uit op een klimaatgevoeligheid van maximaal 1,64°C, dus veel lager dan de 3,4°C van het IPCC. Op basis van deze klimaatgevoeligheid kom je voor het jaar 2100 uit op een verwachte temperatuurstijging ongeveer 0,8°C ten opzichte van nu, dus ruim binnen de doelstellingen van het Klimaatakkoord van Parijs. In 2018 is het onderzoek bevestigd met meer gegevens en analyses.

Het is zeer aannemelijk dat er ook andere factoren hebben bijgedragen aan de opwarming sinds 1850 (zoals de zon). Dat betekent dat de werkelijke klimaatgevoeligheid (veel) lager is dan 1,64°C.

Veranderingen in de windcirculatie

Dat de werkelijke klimaatgevoeligheid waarschijnlijk nog veel lager is dan 1,64 °C blijkt onder meer uit een recent onderzoek van de twee wiskundigen (vader en zoon) Hoogeveen naar de oorzaken van de relatief hoge temperatuurstijging in Nederland. In de publicatie ‘Winds are changing: An explanation for the warming of The Netherlands’ in het International Journal of Climatology laten zij zien dat de temperatuurstijging vooral het gevolg is van veranderingen in het windrichting: ten opzichte van het verleden komt de lucht boven Nederland veel vaker uit relatief warme gebieden in het zuiden, en minder uit koude gebieden in het noorden.

De Hoogeveens hebben gebruik gemaakt van oude weerkaarten van de Duitse Wetterzentrale, die teruggaan tot 1836. Voor elke dag hebben zij het brongebied van de wind genoteerd. In een statistische analyse hebben zij berekend in hoeverre de temperatuur op basis van het windpatroon is te verklaren. Er blijkt een grote correlatie te bestaan (R² = 0,81), die zelfs nog iets groter is als ze ook rekening houden met de Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO, de natuurlijke variabiliteit van de temperatuur aan het zeeoppervlak) and de invloed van de zon (Total Solar Irradiance, of TSI). In de volgende grafiek is de samenhang goed te zien.

De grafiek van afbeelding 5 laat de invloed van de afzonderlijke factoren zien. Het is duidelijk dat de windcirculatie (zwarte lijn) de belangrijkste verklarende factor is, met een beperkte rol voor AMO (blauw) en TSI (rood). De invloed van CO₂ blijkt voor de gestegen temperatuur in Nederland geen enkele invloed te spelen (groene lijn), dus een klimaatgevoelegheid van 0.

Verklaring zonder het broeikaseffect

In de beschrijving van het broeikaseffect is aangegeven dat het verticale temperatuursverloop in de atmosfeer (de lapse rate) onder invloed van de luchtdruk verantwoordelijk is voor de aangename temperatuur aan het aardoppervlak. De berekende emissietemperatuur van -18°C bevindt zich op 5km hoogte. In dit deel van de verklaring is de samenstelling van de atmosfeer en dus de aan- of afwezigheid van broeikasgassen niet relevant. De broeikastheorie veronderstelt dat broeikasgassen bepalend zijn voor de hoogte in de atmosfeer waar de temperatuur gelijk is aan de emissietemperatuur van -18°C.