Klimaatverandering Deel 3 – De klimaatmodellen
Module 3.3 0d-EBM demonstratie (zero dimensioneel energie balans model)
The proof of the pudding is in the eating[1]. Dus kan je via deze link eens meekijken hoe Dr. Mann met het klimaat speelt in dit model. De video is in het Amerikaans Engels en duurt 14 minuten.
De eerste parameters van de eerste oefening zijn:
Temperature AGW : Antrogenic global warming (door de mens veroorzaakte opwarming van de aarde)
De initiële instellingen in de demo geven als resultaat dat er op de aarde een gemiddelde Kelvin temperatuur van 255,3 °K is, 33°K kouder dan in werkelijkheid. De aarde is een bevroren planeet met een gemiddelde oppervlakte temperatuur van -18°C.[4]
Verhoog je de CO2 concentratie dan gaat de AGW omhoog. Dat gebeurt ook als je het Albedo of de Solar constante (zonneconstante) verhoogt. Denk er aan dat door de opwarming vooral het Noordpoolijs nu al afsmelt en dat daardoor het Albedo verlaagt (minder weerkaatsing) en de temperatuur nog meer stijgt. De zonneconstante kan ook variëren, maar dat gebeurt over 1000den jaren en daar hebben we (gelukkig?) geen invloed op.
Wat zorgt er dan voor dat de aarde geen ijsplaneet is zoals dit 0d-EBM aantoont? Er moet iets zijn dat zorgt voor een hogere temperatuur. Gelukkig hebben we broeikasgassen die daar altijd voor gezorgd hebben. In de volgende module gaan we daar dieper op in.
Module 3.4 Inschatten van de klimaat gevoeligheid
Om dit te kunnen inschatten zullen we het Zerodimensioneel energie balans model gebruiken inclusief de broeikasgassen. Daarvoor moeten we het ‘gray body’-model introduceren.
In de vorige module gebruikten we in de simulatie het ‘black body’[5] model en dat gaf een gemiddelde aardoppervlaktetemperatuur van -18°C als resultaat. We weten ook dat we in dat model de invloed van de broeikasgassen niet hebben meegenomen in de berekeningen. En we weten ook dat de aarde geen ‘black body’ is, want ze straalt warmte uit in de atmosfeer.
Onze vergelijking die we op het einde van module 3.2 besproken hebben, is nog steeds geldig.
TS is de oppervlaktetemperatuur van de aarde ; S is de zonneconstante; a is het albedo van de aarde. We kennen de temperatuur (225,3°K), we kennen S en we kennen a. Dan kunnen we berekenen wat de waarde van A en B moet zijn nl. A=315Wm-2 en B= 4,6Wm-2K-1. Deze berekening gaat er nog van uit dat de aarde een ‘black body’ is, wat ze duidelijk niet is, want de atmosfeer absorbeert de straling van de aarde gedeeltelijk.
We moeten A en B dus aanpassen tot we aan de werkelijke gemeten gemiddelde aardoppervlaktetemperatuur van de aarde komen. Dan is A=214,4Wm-2 en B=1,25Wm-2K-1.
Nu we dit weten kunnen we hiermee aan de slag in ons model door A en B licht te variëren en te kijken welke invloed dat heeft op de gemiddelde oppervlaktetemperatuur op aarde. Dat noemen we de ‘gray body’ -vergelijking/benadering die ons een idee geeft van de klimaatgevoeligheid voor veranderingen.
Hierna onderzoeken we hoe gevoelig het klimaat is voor broeikasgas- veranderingen in een middelmatig model.[6] Uw wiskundekennis komt nu weer van pas!
ECS is het Equilibrium climate sensitivity concept of de klimaatevenwichtsgevoeligheid als gevolg van veranderingen in de CO2 -concentratie in de atmosfeer. We starten met de formule van daarnet en vervangen nu de Zonne forcing term door een meer algemene term , nl. Fin die in de tijd kan variëren.
Dit kunnen we wiskundig correct als volgt herschrijven:
Wat zal de verandering in TS (gemiddelde wereldwijde oppervlakte-temperatuur) zijn als we enkel Fin een klein beetje veranderen?
Aangezien de tweede term in de vergelijking (A/B) een constante is, is het volgende geldig : de temperatuurwijziging is gelijk aan de wijziging in de neerwaartse stralingsforcering gedeeld door parameter B.
Of ook als
Deze vergelijking vertelt ons dat voor een bepaalde verandering in de stralingsforcering (neerdalende straling naar de aardoppervlakte) de opwarming van het aardoppervlak gelijk is aan 1/B. Dat is dus de gevoeligheid van het aards systeem voor verandering in de stralingsforcering. En dit ongeacht of het een verandering is in de korte golf zonnestraling of in de neerwaartse lange golf straling door de broeikasgassen.
Ben je nog mee ? Nog even volhouden. Wetenschap is misschien niet altijd gemakkelijk of sexy maar wel logisch. Nu de volgende stap.
Laten we aannemen dat de verandering in de stralingsforcering enkel het gevolg is van de neerwaartse langegolfstraling ten gevolge van broeikasgassen, m.a.w. van verandering in de CO2 concentratie. Die stellen we nu voor als 
. De oorspronkelijke C02 concentratie stellen we voor als (CO2)0.
Nu blijkt (uit metingen) dat delta F gelijk te zijn :
* De tweede term rechts in de vergelijking – de deling – is het logaritme van wat tussen de haakjes staat.
En nu komt de hamvraag. Welke verandering in de stralingsforcering is het resultaat van een verdubbeling van de C02 in de atmosfeer?
We weten dat in de pre-industriële tijd de concentratie CO2 = 280 PPM (parts per million) was. Dus wat als we dat naar 560 PPM brengen? Dat is een verdubbeling, die we trouwens binnen enkele decennia zullen bereiken als we niets doen aan onze broeikasgasuitstoot door het verbranden van fossiele brandstoffen.
Wel kijk eens mee hieronder:
of
en de uitkomst is
Dit betekent dat een verdubbeling van de C02 -concentratie een stijging van de stralingsforcering veroorzaakt van iets minder dan 4 watt per m2.
ECS-Equilibrium Climate Sensitivity-Klimaatevenwichtsgevoeligheid = temperatuurwijziging ten gevolge van de verdubbeling van de pre-industriële CO2 concentratie. S wordt uitgedrukt in graden K(elvin)[7].
Kijk hieronder
temperatuurverandering verandering in stralingsforcering
De ECS die we verwachten ingevolge de verdubbeling van de C02 -concentratie in de lucht vind je hieronder berekend:
Samengevat :
1. 0d-EBM kan gebruikt worden om de oppervlaktetemperatuur van de aarde te berekenen en ook om de reactie van de temperatuur te meten bij externe veranderingen
2. EBM toont het evenwicht tussen inkomende zonnestraling en uitgaande korte golf straling
3. De eenvoudigste ‘black body’-aanname levert een globaal te koude aardoppervlaktetemperatuur op.
4. Het ‘grijs lichaam’-model verhelpt die ‘fout’ door het broeikaseffect grotendeels mee te nemen in de simulatie.
5. het ‘grijs lichaam’(gray body)-model laat ons toe de oppervlakte temperatuur van de aarde te voorspellen en de reactie ervan op verstoringen.
6. De simulatie waarbij de C02 concentratie in de atmosfeer verdubbeld wordt, levert ruwweg een opwarming van 3°C op (=ECS).
ECS is heel cruciaal in het vaststellen van hoe de temperatuur zal reageren op de verdubbeling van de CO2[8]concentratie. We berekenden die met de kennis van vandaag op ongeveer 3°C. Maar er bestaat onzekerheid over die waarde, nl. onzekerheid of ECS groter of kleiner is. En die onzekerheid geeft ook onzekerheid over de toekomstprojecties voor de klimaatverandering.[9]
[1] Een Engels gezegde dat vaak wordt gebruikt voor ideeën: een idee mag nog zo goed lijken, de enige manier om erachter te komen of het idee ook echt goed is, is het uit te voeren en het resultaat te zien.
[2] PPM = parts per million, m.a.w. hoeveelheid koolstofdioxide per miljoen luchtmoleculen. 280 is pre-industriële hoeveelheid CO2 in de lucht.
[3] Black body (zwart lichaam) : zie module 3.2 voor uitleg
[4] TS= 255°K = -18°C en Ts =288°K = +/-15°C. Deze laatste temperatuur is de pre-industriële gemiddelde oppervlakte temperatuur van de aarde. Zie vorige les voor meer info.
[5] ‘Black body’ : een lichaam dat alle inkomende straling opslorpt
[6] Klimaatmodellen werken met minimale, middelmatige en maximale gevoeligheid. Ook de IPCC modellen zijn zo opgemaakt. Meestal verwijzen wetenschappers, politici en pers naar de minimale of middelmatige scenario’s, hoewel er duidelijke aanwijzingen zijn dat we afstevenen op het maximale (het minst gunstige voor de opwarming) scenario.
[7] of in gelijkwaardige °C – vermits de # in °C en K gelijk zijn
[8] Zoals steeds hebben we het hier over CO2 equivalent (dus methaangas en lachgas omgezet naar koolstofdioxide).
[9] Vandaar dat ook het IPCC met verschillende varianten van hun projecties werkt, gaande van terughoudende over gemiddelde tot extreme scenario’s. Recente ontwikkelingen in het werkelijke klimaat lijken erop te wijzen dat de eerder extreme scenario’s de werkelijkheid worden. En dat is slecht nieuws.
Alle afbeeldingen in deze tekst zijn afkomstig van de SDG academy en Penn State university ‘climate change , the science’ cursus en vallen onder creative commons licentie
Enkele opmerkingen:
1. De eenheid voor de zonnestralingsconstante is W/m2 en niet Wm2.
2. De solar forcing term Fin = (1-a)*S/4, dus dat moet de tweede vergelijking zijn i.p.v. Ts = Fin, want dat houdt dimensioneel geen steek.