Klimaatgevoeligheid: 0,21 graden C

Climategate.nl heeft herhaaldelijk aandacht geschonken aan de discussie over de hoogte van de klimaatgevoeligheid. Dit is het opwarmingseffect van een verdubbeling van de CO2-concentratie in de atmosfeer.

Het is een cruciale factor in het klimaatdebat. Immers, is de klimaatgevoeligheid hoog dan zou de opwarming van de atmosfeer (niet de aarde!) in de toekomst ernstige problemen kunnen opleveren. Is deze daarentegen laag, dan hoeft niet te worden gevreesd voor een climate emergency, zoals vele extreme klimaatalarmisten – vooral in de VS – tegenwoordig luidkeels verkondigen.

Het VN-klimaatpanel heeft een bandbreedte van 1,5 – 4,5 graden Celsius gepubliceerd voor de klimaatgevoeligheid. Climategate.nl heeft in het verleden bijdragen gepubliceerd van auteurs die uitkomen zo rond de ondergrens van deze bandbreedte. Geen reden voor paniek dus!

Een van die bijdragen was van Guido van der Werf. Zie hier. Een andere bijdrage was die van François Gervais. Zie hier. Daarnaast die van Nick Lewis en Marcel Crok. Zie hier. Zij vergeleken historische tijdreeksen van de CO2-concentratie en de temperatuur om daaruit een verband te destilleren. Martijn van Mensvoort betrok daarbij nog de invloed van de 70-jarige cyclus in het oceaansysteem. Zie hier.

Een geheel andere benadering is die van Frans van den Beemt. Deze leverde een aanmerkelijk lagere waarde van de klimaatgevoeligheid op – vèr onder het minimum van de bandbreedte van het VN-klimaatpanel – dan die van de eerdergenoemde auteurs.

André Bijkerk rapporteert over de nieuwe analyse, die inmiddels is verschenen op onze Engelse-talige zusterwebsite: ‘Science Talks’ (linksboven aanklikken op de eerste pagina van Climategate.nl).

Een bijdrage van André Bijkerk.

Introductie

Het programma MODTRAN is sinds jaar en dag in gebruik om het effect van verschillende concentraties van broeikasgassen te berekenen. Oorspronkelijk is het ontwikkeld voor militaire infrarood geleidingssystemen voor luchtraketten en mag in die hoedanigheid accuraat worden geacht. Daarna is het echter aangepast voor de huidige doelstelling en Frans van den Beemt heeft van dit MODTRAN-programma gebruik gemaakt in zijn onderzoek naar de rol van CO2 in onze atmosfeer als tegenhanger van zijn eerdere onderzoek gebaseerd op zuiver fysische formules.

Hierna volgt zijn uitleg over de methodiek en bevindingen zoals in ScienceTalks gepubliceerd. Het uiteindelijke resultaat is andermaal dat toename van kooldioxide in de atmosfeer een substantieel lager effect heeft dan algemeen wordt aangenomen.

Inleiding

Het doel van deze studie is om de invloed van verdubbeling van de CO2 concentratie van 300 ppm naar 600 ppm (parts per million) in de aardse atmosfeer op de temperatuur van het aardoppervlak te bepalen, gebruik makend van MODTRAN. Dit alleen voor een fictieve globaal gemiddelde aarde inclusief wolken. In een eerdere studie is dat gedaan door met fysische formules een bovengrens te bepalen voor de infrarood (warmtestraling) absorptie door CO2. Dit is gedaan zonder gebruik te maken van computermodellen maar wel met gebruik van gepubliceerde en gemeten spectraallijneigenschappen.

In deze nieuwe studie wordt, in plaats van naar de absorptie te kijken, berekend hoeveel de emissie naar de ruimte vermindert bij verdubbeling van de CO2-concentratie. De basis vormt een voor klimaatberekeningen veelgebruikt computermodel MODTRAN. Daarin zit een aanpasbaar fictief model van de aardse atmosfeer met en zonder broeikasgassen. Daaraan kan stap voor stap CO2-gas toegevoegd worden, waarna het programma de verminderde emissies naar de ruimte uitrekent. Minder emissie naar de ruimte betekent dat er meer warmte achterblijft in de atmosfeer.

Theorie

We kijken eerst in detail naar de emissie karakteristieken van CO2. Naast de centrale band emissie kent CO2 emissie uit de zijbanden ofwel frequenties aan weerskanten van de centrale lijn ook wel ‘side lobes’ genoemd. We maken in deze studie dit onderscheid omdat de eigenschappen nogal verschillend zijn. De emissie van de centrale band is het gevolg van vibraties van het CO2-molecuul. Emissies direct naar de ruimte vinden plaats bij een temperatuur van circa 220K (-53 oC) over het algemeen vanuit de stratosfeer. De zijbanden echter stralen energie uit wanneer twee of meer CO2 moleculen elkaar dicht genoeg naderen, resulterend in andere vibratie effecten en emissie op andere frequenties. Emissies daarvan direct naar de ruimte zijn over het algemeen afkomstig uit de lage troposfeer bij daar heersende wat hogere temperaturen. Juist die ‘zwakkere’ zijbanden veroorzaken het effect van extra opwarming (minder uitstralen naar de ruimte) bij verdubbeling van de CO2. De centrale band emissies daarentegen geven juist een extra afkoeling bij 2 x CO2 waar men doorgaans aanneemt dat bij 2 x CO2 de emissie hoogte zodanig naar boven opschuift dat de temperaturen en daarmee ook de emissies naar de ruimte juist afnemen. We zien echter duidelijk in de spectraalplaatjes en ook in de MODTRAN-simulatie dat dit onder in de Ozonlaag gebeurt, waar de temperatuur met de hoogte juist wat toeneemt en waar CO2 bij verdubbeling nog wat extra uitstraalt in plaats van minder. Het zijn uiterst kleine verschillen in uitstraling, maar toch werkt dat allemaal mee, omdat wij bij 2 x CO2 nu eenmaal kijken naar kleine verschillen in uitstraling. Dit valt uitstekend waar te nemen uit de MODTRAN-simulaties, die gebaseerd zijn op nauwkeurige metingen in laboratoria van alle spectraallijnen van CO2. Deze internationale gegevens van de spectraallijnen zijn opgenomen in de HITRAN database.

Overigens is mijn vorige publicatie ook gebaseerd op de HITRAN database. Daarbij heb ik voor het gemak het koelend effect van de centrale lijn niet meegenomen in de fysische formules maar wel het opwarmend effect van de zijlobben, hetgeen nog eens goed aangeeft dat het daar om maximale opwarming ging ofwel een bovengrens berekening.

Bevindingen

MODTRAN toont de infrarood emissie naar de ruimte afhankelijk van de concentraties broeikasgassen. Om de effecten van zuiver en alleen CO2 te bestuderen gaan we uit van een atmosfeer zonder wolken en broeikasgassen maar met N2, O2 en een in te stellen CO2 concentratie. Na verdubbeling van CO2 kan het stralingsevenwicht worden hersteld door de grondtemperatuur te verhogen; exact het veronderstelde broeikaseffect. Afhankelijk van de diverse situaties is hiervoor ongeveer 0,8 graad kelvin Celsius benodigd. Er zijn hierbij echter twee overwegingen. MODTRAN houdt geen rekening met andere effecten zoals de globaal gemiddelde bewolkingsgraad en dat het opdraaien van de temperatuur extra energie vergt zonder dit verder te verantwoorden.

Indien er meerdere broeikasgassen en ook wolken in de atmosfeer aanwezig zijn kunnen deze gassen ook een deel van de door verminderde emissie extra achtergebleven warmte opnemen en deze deels alsnog naar de ruimte uitstralen. De mate van wolkenbedekking vormt een belangrijke factor die de werking van een verhoogde concentratie CO2 en daardoor verminderde emissie naar de ruimte teniet kan doen. Op grond van een atmosfeer met alleen CO2 als broeikasgas wordt in deze studie de verandering van de emissie naar de ruimte en als gevolg daarvan een mogelijke verandering van de oppervlaktetemperatuur in kaart gebracht en vervolgens gecorrigeerd voor het overlappend effect van wolken. Een directe uitkomst uit de computermodellen met een atmosfeer zonder broeikasgassen anders dan CO2 en zonder wolken is dat de eerste 10 ppm atmosferische CO2 de warmte stralingsemissie naar de ruimte beperkt met 15 W m-2 en dat bij 600 ppm dit slechts is opgelopen tot 37 W m-2 minder uitstraling van energie naar de ruimte. Bij een veel hogere waarde namelijk 1000 ppm straalt er 40 W m-2 minder uit naar de ruimte. Dit alles illustreert duidelijk de exponentiële afname van de door CO2 tegengehouden emissie naar de ruimte naarmate de CO2-concentratie toeneemt.

De verminderde emissie naar de ruimte kan worden omgerekend in een temperatuurverhoging aan het aardoppervlak met behulp van De Stefan-Boltzmann-wet in combinatie met een in het aardse modelsysteem veronderstelt evenwicht tussen inkomende en geabsorbeerde zonne-energie en uitgaande warmtestraling naar de ruimte. Dit alles gebruikmakend van goed gedocumenteerde en gemeten gegevens uit de literatuur voor een fictieve globaal gemiddelde aarde met zuiver en alleen CO2 als broeikasgas.

Conclusie

Het gebruikte model van de huidige aarde inclusief wolken (maar zonder hogere orde complexiteiten) toont dat bij een CO2 concentratieverdubbeling van 300 ppm (parts per million) naar 600 ppm de gemiddelde oppervlaktetemperatuur niet meer stijgt dan 0,21 oC en dat zelfs bij een waarde van 1000 ppm de bovengrens van de opwarming onder 0,4 oC blijft. De eerdere studie kwam bij verdubbeling van CO2 tot 600 ppm uit op een bovengrens van 0,16 oC opwarming. Voegen wij aan het model de gehele atmosfeer met waterdamp en wolken toe, dan blijken in theorie convectieprocessen en wolken in staat om de oppervlaktetemperatuur in het geheel niet te laten stijgen bij een verdubbeling van de CO2 concentratie.

***

Over Frans van den Beemt

Frans behaalde zijn MSc-fysica in juni 1973 aan de University of Technology, Eindhoven, en zijn PhD in Science Studies, juni 2000, Universiteit van Leiden, Nederland. Hij vervulde functies als onderwijsassistent, University of Technology, Eindhoven, Nederland, vervolgens als Research Fellow, Afdeling Experimentele Nucleaire Fysica, University of Technology, Eindhoven, Nederland. Vervolgens was hij docent Natuurkunde en Wiskunde, Eckhart College, Eindhoven, Nederland, Systeemingenieur, Machines & Systeemgroep Holec, Ridderkerk, en programmadirecteur, Technologiestichting STW, Utrecht, Nederland Hij is oprichter van adviesbureau: VdBeemt 2G Advies en oprichter van het Europese adviesbureau voor academische instellingen: HandsonGrants. Hij is auteur van talloze publicaties en bekleedde vele gespecialiseerde functies.

Lit.: On CO2 and the global mean Earth’s surface temperature – Sciencetalks.nl 12 juli 2019