1.2 De baan van de Aarde
De Servische wetenschapper Milankovitch maakte een beroemde studie over relatie van de baan van de Aarde en het klimaat in de afgelopen 2 miljoen jaar. De volgende factoren zijn daarbij van belang:
- De excentriciteit varieert met 6% in een periode van 100.000 jaar. Dit leidt tot een variatie van 0.3% in zonnewarmte instraling.
- De helling van de Aardas varieert tussen 21.8° en 24.4° in een periode van 41.000 jaar.
- De precessie van de aardas heeft een periode van 25.800 jaar.
De meest "gunstige" condities voor het laten ontstaan van ijskappen op de hogere breedtes zijn koude zomers. Deze zijn het meest waarschijnlijk als de Aardas een minimale hoek maakt met het vlak van de Aardbaan (laagste zomer zonnestand) en de excentriciteit maximaal is terwijl de Aarde op z'n verste punt staat in de zomer. De winters zijn koud genoeg als de zomerwarmte onvoldoende is om de sneeuw van de afgelopen winter weg te smelten. Bovendien: Iets minder koude winters leveren in het hoge noorden doorgaans méér sneeuw op.
In recente publikaties is aan het licht gekomen dat vooral het omgekeerde van belang is. Warme zomers kunnen ijskappen doen smelten. Als de ellipticiteit van de baan van de Aarde op zijn maximum zit en de aardas maximaal helt terwijl de Aarde in de noordelijke zomer het dichtste bij de zon staat zijn de omstandigheden daarvoor optimaal. Het zijn deze momenten die het einde van glaciale periodes inluidden.
Milankovitch toonde aan dat er een goede correlatie was tussen de excentriciteits en Aardas cycli t.o.v. de noordeljke zomer en het klimaat op Aarde. Tussen 2 miljoen en 800.000 jaar geleden domineerde de Aardas cyclus, en daarna de 100.000 jarige excentriciteits cyclus. Het waarom achter deze verandering van cyclus is (nog) niet geheel opgehelderd.
2. De geologische invalshoek
2.1 De positie van de continenten
In het midden van het Krijt tijdperk was de Aarde veel warmer dan nu. Dit o.a. kwam door de volgende factoren:
- De posities van de continenten en de daaruit resulterende zeestromen.
- Het hogere CO2 gehalte van de atmosfeer.
Tegenwoordig liggen de continenten anders. Op het zuidelijk halfrond liggen ze in een "icehouse configuratie". Antarctica ligt, sinds het 30 miljoen jaar geleden los kwam te liggen in het Zuidpool gebied, in een soort van geïsoleerde diepvries.
In het plaatje schematisch de "icehouse configuratie":
Zo'n 3 miljoen jaar geleden vormden zich de eerste significante ijsmassa's op het noordelijk halfrond. De atlantische golfstroom, die na het aaneen smelten van de Amerika's aan belang won speelt waarschijnlijk een hoofdrol in het klimaat van Europa en Oostelijk Noord Amerika (en indirect ook de rest van de wereld). Het is dan ook daar waar zich de grootste ijsmassa's afzetten tijdens glaciale perioden.
Concluderend: De postitie van de continenten is zeer belangrijk voor het klimaat op aarde. Het betreft echter processen die zeer langzaam verlopen.
2.2 Vulkanisme
Vulkanen kunnen door (grote) uitbarstingen het weer beïnvloeden. Als stof en zwavelzuur deeltjes in de stratosfeer belanden onderscheppen deze zonlicht en leiden zo tot enige afkoeling.
Van vulkaan uitbarstingen vanaf de 18 eeuw zijn hun gevolgen voor het weer op aarde te achterhalen. De 2 bekendste zijn de Laki spleet eruptie op IJsland in 1783 en de uitbarsting van de Tambora in 1815.
Vooral de uitbarsting van de Tambora is beroemd geworden. In 1816
volgde "het jaar zonder zomer". In Noord Amerika kwam tot ver in
de zomer nachtvorst voor, en in Europa werd tijdens deze zeer slechte
zomer een beroemd boek geschreven: "Frankenstein". De temperatuur
daling op het noordelijk halfrond werd op ca. 0.4 - 0.7°C geschat.
Ook na de Laki spleet eruptie sneuvelden er in Europa en N. Amerika
enkele koude records.
Latere erupties hadden minder dramatische gevolgen: Krakatau (Indonesia, 1883, 0.3 °C), Santa Maria (Guatamala, 1902, 0.4 °C), Katmai (Alaska, 1912, 0.2 °C), Agung (Indonesia, 1963, 0.3 °C), El Chichón (Mexico, 1982, 0.5 °C), Pinatubo (Philippines, 1991, 0.5 °C).
In alle gevallen duurt het effect van grote erupties ongeveer 2 jaar. Zo was in 1993 de stof sluier van de Pinatubo al weer verdwenen.
Vulkanisme brengt ook CO2 in de atmosfeer. Gemiddeld (over vele jaren uitgemiddeld dus) is de betekenis ervan echter, als je het met CO2 t.g.v. menselijke activiteit vergelijkt, vrij beperkt. De hoeveelheid CO2 die door vulkanisme wordt geproduceerd is hooguit in de orde van enkele 100-den miljoenen tonnen per jaar. (vs. enkele 10 tallen miljarden tonnen t.g.v. verbranding van fossiele brandstoffen).
3. Broeikas gassen
De atmosfeer bevat een aantal z.g. broeikas gassen. Zonder deze gassen
zou de Aarde een koude planeet zijn: Het zou dan gemiddeld slechts -18°C
zijn.
De voornaamste broeikas gassen zijn:
- Waterdamp, de belangrijkste, behalve in poolgebieden in de winter.
- CO2, deels natuurlijk (biomassa ontbinding, vulkanisme), deels door menselijke activiteit (verbranden van fossiele brandstof en hout)
- Methaan, deels natuurlijk (biomassa ontbinding), deels door menselijke activiteiten (lekken in gasvelden en leidingen, rijstvelden, veeteelt)
- Lachgas (N2O), deels door menselijke activiteit (ontleding van nitraat kunstmest, verbrandingsprocessen)
- CFK's, gemaakt door mensen, veroorzaken afbraak van de ozon laag in de onderkant van de stratosfeer; worden thans uit gebruik genomen.
Als we het CO2 gehalte van de atmosfeer bekijken over de laatste 150.000
jaar blijkt dat de koude perioden goed overeen komen met lage CO2 gehaltes
terwijl de interglaciale (warme) periodes worden gekenmerkt door hogere
CO2 gehaltes.
Nu is het niet mogelijk precies vast te stellen of in deze periode de
CO2 concentratie het klimaat het klimaat "volgde" of "stuurde" (of misschien
wel allebij tegelijk!). Wat was effect, wat was gevolg? Het is niet
goed mogelijk de chronologie met voldoende precizie vast te stellen.
Echter: Of CO2 concentraties, in het natuurlijke verloop van klimaat fluctuaties, nu oorzaak of effect zijn, het is onomstreden dat een verhoogde concentratie van de z.g. broeikasgassen als CO2 en CH4 t.g.v. menselijke activiteiten het vermogen van de atmosfeer om zijn warmte effectiever vast te houden verhogen. De recente serie zeer warme jaren sinds eind jaren 80 kunnen zo langzamerhand als een redelijk hard bewijs hiervoor worden aangevoerd. Deze kunnen niet meer als een statistische fluctuatie worden afgedaan.
In recente model studies (zie de figuur onder 1.1) waarin de bijdragen van zwaveldioxide (koelend effect in industrie-ele gebieden), CO2, en de zonne activiteit (zie de opmerkingen onder 1.1) worden meegenomen is men zeer goed in staat het temperatuur verloop tijdens de 20e eeuw te simuleren.
Concluderend: Het gehalte broeikas gassen in de atmosfeer heeft een significante invloed op het klimaat. Het is echter nog altijd vrij onzeker hoe groot deze invloed precies is en in welke mate de Aarde ten gevolge ervan warmer zal worden. Er zijn misschien lokaal omgekeerde effecten denkbaar. Daarover meer in het laatste hoofdstukje.
4. Het klimaat en zijn grillen
4.1 De Atlantische Golf Stroom (en de Kleine IJstijd)
De Atlantische golfstroom heeft een zeer grote invloed op het klimaat in Europa, en in wat mindere mate Noord Amerika. Oostelijke kusten van oceanen zijn in de winter veel warmer dan Westelijke kusten. Lissabon heeft een januari temperatuur van 11°C, New York 0°C. Dat is eenvoudig te begrijpen: In de gematigde breedtes zijn de dominante winden westelijk. Echter, als men Bergen (Noorwegen, aan de Noord-Oost kant van de Atlantische Oceaan) vergelijkt met Anchorage (Alaska, aan de Noord-Oost kant van de Stille Oceaan op een zelfde breedte) dan blijkt de laatste in januari 12 graden kouder. Dit grote verschil is aan de Atlantische Golfstroom toe te schrijven.
De Golfstroom heeft aanzienlijk geviarieerd. In de onderstaande figuur worden de grenzen van arctisch water aangegeven op het hoogtepunt van de Kleine IJstijd (1695) en gedurende een veel warmere periode (1920-1950).
Het verschil is dramatisch. Dat waren de consequenties voor het klimaat ook. In de 90-er jaren van de 17e eeuw mislukten 8 van de 10 oogsten in Schotland. De honger die erop volgde kostte tussen 1/3 en 2/3 van de lokale bevolking het leven. In deze streek was het een grotere ramp dan de pest van de 14e eeuw!
Als men de temperatuur oscillaties in de Noordelijke Atlantische Oceaan bekijkt sinds het laatste glaciale maximum dan ziet men warmte pieken rond 7000 BC, 4500 BC, 2000 BC en 800 AD. Er is nu een interessante hypothese geopperd om dit te verklaren: Een "lopende band".
Deze lopende band heeft 2 standen: "Aan" en "Uit".
Als de "lopende band" "aan" staat vloeit warm en zout water naar het
Noorden met de Atlantische Golfstroom. Daar koelt het af en zinkt
naar de diepte. Daar vloeit het op grote diepte uiteindelijk naar
de Indische en Stille Oceaan. Op deze wijze wordt zout water naar
de diepten van de oceanen weg getransporteerd.
Als op een zeker moment het water te zoet (of te warm) wordt zal het
niet meer zo gemakkelijk wegzinken. De "lopende band" schakelt
zichzelf "uit". De Atlantische Golfstroom schakelt een tandje terug.
Volgens model berekeningen is een zoet water stroom van 1/4 van de
Amazone genoeg om de "lopende band" "uit" te zetten. Als dat gebeurt
wordt de Noord Atlantische Oceaan (veel) kouder.
Uit gegevens van de recente geologische geschiedenis van de Aarde lijken de oscillaties ongeveer met een periode van 2000 jaar voor te komen. Dit is bijna gelijk aan de tussenpozen tussen "Kleine IJstijden": ca. 2500 jaar. Of de "lopende band" een correct idee is is nog deels een open vraag. Als deze beschrijving echter (deels) klopt zou een warmer worden van de Aarde t.g.v. meer zoet water vanaf de Groenlandse IJskap en meer neerslag van luchtmassa's die van oorsprong uit de Stille Oceaan komen de "lopende band" van de Atlantische Golfstroom (deels) "uit" kunnen zetten. Dit zou tot een wat kouder klimaat in dit deel van de wereld kunnen leiden. Een andere mogelijkheid is een iets minder snel opwarmen dan elders op een soortgelijke breedtegraad op het noordelijk halfrond.
In het laatste IPCC rapport wordt de kans op de bovenbeschreven mogelijkheid echter klein geacht. Ook spreken recente publikaties van een 'vals alarm'. Een scenario als in 'The Day after Tomorrow' is echt onzin!
4.2 El Niño
In het tropische deel van de Stille Oceaan vindt er een oscillatie plaats die zo nu en dan het weer in grote delen van de wereld op z'n kop zet. Normaal vindt men het warmste water in de Stille Oceaan in de omgeving van Indonesië. Het komt er door de Oostelijke passaat winden. Langs de evenaar is er een z.g. Walker cel aanwezig: Daarin stijgt de lucht boven de Westelijke Stille Oceaan om naar Peru te stromen en daar te dalen. Vervolgens keert deze weer terug met de Oostelijke passaat winden. De daling van de lucht bij Peru wordt nog eens verder bevorderd door de aanwezigheid van de koude Humbolt Stroom. Zuidelijke winden langs de Chileense kust duwen het water (t.g.v. de Coriolis versnelling) westwaards en doen zo koud dieptewater opwellen.
Zo nu en dan daalt de luchtdruk in de Oostelijke Stille Oceaan. De passaat winden verzwakken en gaan soms zelfs langs de evenaar uit het westen waaien. Warm water gaat Oostwaards bewegen en de water temperatuur voor de kust van Peru stijgt. De Walker cel circulatie, zoals boven omschreven gaat verschuiven. Warme lucht stijgt nu boven de centrale Stille Oceaan op en gaat dalen in de omgeving van Indonesië. Deze oscillatie is onregelmatig met periodes van 2 tot 7 jaar.
De El Niño's van 1982-83 en 1997-1998 waren zeer uitgesproken. In 1982-83 stegen de zeewater temperaturen voor de Peruaanse kust van 19 °C naar 26 °C. Resultaat: 4000 mm regenval in een jaar op een plek in Peru waar dat normaal 25 mm is .... In 1997-1998 was het beeld analoog.
De effecten waren aanzienlijk:
- In 1982-83 werden Indonesië, Australië and Zuidelijk Afrika door droogten geteisterd. De eerste 2 kunnen aan het El Niño verschijnsel worden toegeschreven. In het laatste heeft het mogelijk ook een rol gespeeld. In 1997 werd Indonesië wederom door droogtes geplaagd.
- De subtropische jet in de Oostelijke Stille Oceaan is t.g.v. grotere temperatuur contrasten veel krachtiger ontwikkeld. Het resulteerde in stormachtig weer en veel regen in gebieden die normaal droog zijn, zoals Californië.
- Equador en Peru werden door excessieve regenval geteisterd.
De extreme El Niño's van 1982-83 en 1997-98 hebben de vraag doen rijzen of er een verband met het warmer worden van de Aarde is. Op grond van de historische gegevens is het niet mogelijk tot deze conclusie te komen. Recent werk (door Sjoukje Yvette Philip, een proefschrift) waar door het KNMI op is geattendeerd wijst sterk in de richting dat er inderdaad geen verband is tussen het warmer worden van het klimaat en het El Niño verschijnsel.
4.3 De Noord Atlantische Oscillatie
In Europa wordt het weer veelal "gemaakt" op de Atlantische Oceaan. Wat daar gebeurt bepaalt voor een belangrijk deel het klimaat in Europa.
En hier speelt een andere oscillatie, de Noord Atlantische Oscillatie (NOA), een rol. Er zijn 2 uitersten te onderscheiden:
- Een krachtig ontwikkeld IJsland Laag met een goed ontwikkeld Azoren Hoog. De NOA index, het verschil in luchtdruk tussen Portugal en IJsland, is hoog.
- Een zwak ontwikkeld Azoren Hoog en hogere luchtdrukken in de Noordelijke Atlantische Oceaan. De NAO index is laag.
In geval 2. Hoge druk gebieden kunnen aanwezig zijn boven de Noordelijke Atlantische Oceaan en/of Scandinavië. In dat laatste geval kunnen koudegolven Europa in hun greep nemen.
In het figuur wordt de NAO index voor de winters van 1865 t/m 2009 gegeven. Opvallend zijn de lage waarden in de 40-er en 60-er jaren. In de jaren 1961-65 had Engeland een "Schaats Kerst". De winter van 1963 was "een klassieker". Eind 80 en begin 90-er jaren waren de winters zeer mild. Die van 1975, 1989 en 1990 zou je bijna "subtropisch" kunnen noemen.
Dat maakt het echter moeilijk deze zachte winters als een voorbode van het warmer worden van het klimaat te zien. Zij werden door een "hoog NAO index weerpatroon" veroorzaakt. Net zoals koudere winters (1963, 1979, 1996) door een "laag NAO index patroon" werden veroorzaakt.
In een recent rapport van het KNMI ("De toestand van het klimaat in Nederland 2003") wordt vermeld dat er mogelijk enige aanwijzingen van een link tussen een verschuiving naar een "hoog NAO index weerpatroon" en het warmer worden van het klimaat zijn gevonden.
4.4 Variaties van het klimaat; enige slotopmerkingen
In het verleden hebben zich zeer drastische klimaatwisselingen voorgedaan. Binnen 1000 jaar, en soms binnen 100 jaar vonden er temperatuur wisselingen plaats van 5 graden Celsius of meer.
De meest recente is de z.g. "Jong Dryas koudegolf". Binnen 50 jaar schoot zo'n 12.700 jaar geleden de temperatuur in W. Europa van een nivo vergelijkbaar met het huidige met meer dan 5 graden C omlaag. Kleine gletschers ontstonden in de Engelse Midlands! Ongeveer 1200 jaar later herstelde het klimaat zich weer. Ook de temperatuur stijging "terug naar normaal" ging bliksemsnel.
Gebeurtenissen als deze suggereren het bestaan van "quantum stappen" in hardnekkige weerpatronen, en dus in het klimaat. Eens dachten wij dat klimaten heel langzaam veranderen en IJstijden er 10.000 jaren over deden om zich te manifesteren. Thans weten we beter.
5. Enige persoonlijke gedachten
Als er een "handleiding voor de planeet Aarde" zou bestaan zou het hoofdstuk over klimaatregeling luiden: "Het klimaat is afgeregeld op maximaal comfort voor de mensheid. Een ieder wordt derhalve dringend verzocht met zijn handen van de knoppen van de weermachinerie af te blijven"
Grote vraag: "Blijven wij met onze handen van die knoppen af?" Research op dit terrein begint steeds meer aanwijzingen te vinden dat dit op z'n minst ten dele niet het geval is.
Het lijkt mij tegen de achtergrond hiervan dan ook verstandig om ontwikkelingen om de economieën van deze wereld minder energie intensief te maken en/of naar duurzame energie voorziening te streven wat verder te versnellen.
Dat zal toch al een reuzen karwij worden dat zeker 50 jaar gaat kosten. Als je b.v. 20.000 Mega Watt aan zonne cellen wilt neerleggen (dat is 20% van de huidige energie behoefte van Nederland) dan heb je minimaal 1000 km2 nodig!
Het CO2 en CH4 gehalte van de atmosfeer zal in de komende decaden ontstuitbaar verder stijgen. De klimaateffecten daarvan zijn thans nog onzeker. Het is echter niet geheel uitgesloten dat ons op een zeker moment wat onaangename verassingen staan te wachten. Het is wellicht ook verstandig daar al vast rekening mee te houden. Ofwel, in beeldspraak die een Nederlander vertrouwd in de oren moet klinken:
- - - - -