Dit is het eerste van een tweedelige “Uitleg” over de wetenschappelijke concepten die ten grondslag liggen aan het concept van het broeikaseffect en de wereldwijde klimaatverandering.
Wanneer men het heeft over de opwarming van de aarde of het broeikaseffect, dan is het belangrijkste onderliggende wetenschappelijke concept dat het proces beschrijft, de stralingsforcering. En ondanks alle recente controverse over uitgelekte e-mails en beschuldigingen van slecht onderbouwde verwijzingen in het laatste rapport van de Intergouvernementele Werkgroep inzake Klimaatverandering, is het basisconcept van stralingsforcering er een waarover wetenschappers – ongeacht hun mening over de opwarming van de aarde of het IPCC – het allemaal eens lijken te zijn. Onenigheid komt er bij het bepalen van de werkelijke waarde van dat getal.
Het concept van stralingsforcering is tamelijk eenvoudig. Er stroomt voortdurend energie de atmosfeer in in de vorm van zonlicht dat altijd op de helft van het aardoppervlak schijnt. Een deel van dit zonlicht (ongeveer 30 procent) wordt teruggekaatst naar de ruimte en de rest wordt geabsorbeerd door de planeet. En zoals elk warm voorwerp dat zich in een koude omgeving bevindt – en de ruimte is een zeer koude plaats – straalt er altijd wat energie terug de ruimte in in de vorm van onzichtbaar infrarood licht. Trek de energie die naar buiten stroomt af van de energie die naar binnen stroomt, en als het getal iets anders is dan nul, dan moet er enige opwarming (of afkoeling, als het getal negatief is) aan de gang zijn.
Het is alsof je een ketel vol water hebt, die op kamertemperatuur is. Dat betekent dat alles in evenwicht is, en dat er niets verandert, behalve kleine toevallige variaties. Maar steek een vuurtje onder die ketel aan, en plotseling zal er meer energie in dat water stromen dan er uitstraalt, en zal het water heter beginnen te worden.
Kortom, de stralingsforcering is een directe maatstaf voor de mate waarin het energiebudget van de aarde uit balans is.
Voor het klimaatsysteem van de aarde blijkt het niveau waar deze onbalans het meest zinvol kan worden gemeten, de grens te zijn tussen de troposfeer (het laagste niveau van de atmosfeer) en de stratosfeer (de zeer dunne bovenlaag). Voor alle praktische doeleinden, wat weer en klimaat betreft, markeert deze grens de top van de atmosfeer.
Hoewel het concept eenvoudig is, is de analyse die nodig is om de werkelijke waarde van dit getal voor de aarde op dit moment te bepalen, veel gecompliceerder en moeilijker. Veel verschillende factoren zijn van invloed op dit evenwichtsspel, en elke factor heeft zijn eigen mate van onzekerheid en zijn eigen moeilijkheden om precies te worden gemeten. En de afzonderlijke bijdragen aan de stralingsforcering kunnen niet zomaar bij elkaar worden opgeteld om het totaal te krijgen, omdat sommige factoren elkaar overlappen – sommige verschillende broeikasgassen absorberen en zenden bijvoorbeeld op dezelfde infrarode golflengten straling uit, zodat hun gecombineerde opwarmingseffect minder is dan de som van hun afzonderlijke effecten.
In zijn meest recente rapport van 2007 heeft het IPCC de meest uitgebreide schatting gemaakt die tot nu toe is gemaakt van de totale stralingsforcering die de aarde op dit moment beïnvloedt. Ronald Prinn, TEPCO hoogleraar atmosferische wetenschappen en directeur van MIT’s Center for Global Change Science, was een van de hoofdauteurs van dat hoofdstuk van het vierde evaluatierapport van het IPCC. De stralingsforcering “was zeer gering in het verleden, toen de gemiddelde temperatuur wereldwijd niet wezenlijk steeg of daalde”, legt hij uit. Gemakshalve kiezen de meeste onderzoekers een “basisjaar” vóór het begin van de industrialisering van de wereld – meestal 1750 of 1850 – als nulpunt, en berekenen zij de stralingsforcering ten opzichte van dat basisjaar. Het IPCC gebruikt 1750 als basisjaar en het zijn de veranderingen in de verschillende stralingsforcerende stoffen sindsdien die worden meegerekend.
Dus is de stralingsforcering, gemeten in watt per vierkante meter oppervlak, een directe maatstaf voor de invloed die recente menselijke activiteiten – waaronder niet alleen broeikasgassen die aan de lucht worden toegevoegd, maar ook het effect van ontbossing, waardoor het reflectievermogen van het oppervlak verandert – hebben op de verandering van het klimaat van de planeet. Dit getal omvat echter ook alle natuurlijke effecten die in die tijd eveneens kunnen zijn veranderd, zoals veranderingen in de zonnestraling (die een gering opwarmingseffect heeft veroorzaakt) en deeltjes die door vulkanen in de atmosfeer worden gespuwd (die in het algemeen een zeer kortstondig afkoelingseffect, of negatieve forcering, veroorzaken).
Hoewel aan alle factoren die de stralingsforcering beïnvloeden onzekerheden zijn verbonden, heeft één factor een overweldigende invloed op de onzekerheid: de effecten van aërosolen (kleine in de lucht zwevende deeltjes) in de atmosfeer. Dat komt omdat deze effecten zeer complex zijn en vaak tegenstrijdig. Zo werken lichte aërosolen (zoals sulfaten uit kolenverbranding) verkoelend, terwijl donkere aërosolen (zoals zwarte koolstof uit dieseluitlaten) tot opwarming leiden. Ook leidt het toevoegen van sulfaataerosolen aan wolken tot kleinere maar meer overvloedige druppels die de reflectiviteit van wolken verhogen, waardoor de planeet afkoelt.
“De foutenmarges in de broeikasgasforcering zijn erg klein,” zegt Prinn. “De grootste onzekerheid in het bepalen van de stralingsforcering komt van aërosolen.”
Dus, gegeven al deze factoren en hun foutenbereik, wat is het antwoord? Het huidige niveau van stralingsforcering, volgens het IPCC AR4, is 1,6 watt per vierkante meter (met een onzekerheidsmarge van 0,6 tot 2,4). Dat klinkt misschien niet veel, zegt Prinn, totdat je het totale landoppervlak van de aarde in aanmerking neemt en vermenigvuldigt, wat een totaal opwarmingseffect oplevert van ongeveer 800 terawatt – meer dan 50 keer het gemiddelde energieverbruik van de wereld, dat momenteel ongeveer 15 terawatt bedraagt.
Deel twee van deze serie zal ingaan op het concept klimaatgevoeligheid, dat bepaalt hoeveel de temperatuur van de aarde zal veranderen als gevolg van een bepaalde stralingsforcering.