Klimaatmodellen -voor gevorderden
Module 4.2 Casestudy : Gebruik van het een dimensionele EBM als model voor de ijstijden
Waarom komen en gaan de ijstijden? We weten dat ijs op hogere breedtegraden ontstaat en daardoor een hoger albedo van de aarde veroorzaakt. Het wordt daardoor kouder en de polen van de planeet worden permanent met ijs bedekt. Met ons een dimensionele klimaatmodel gaan we nu proberen te bepalen welke de bepalende factoren zijn die ijstijden doen ontstaan en beëindigen.
De aarde is enkele miljarden jaren geleden al twee keer volledig bedekt geweest met ijs, hoewel de zonneconstante (S) toen bijna even hoog was als nu. Het aards klimaat kan dus schommelen tussen de ‘sneeuwbal toestand’ en warm en ijsvrij , zoals enkele miljoenen jaren geleden. En dat met ongeveer dezelfde zonneconstante. Multi-stabiele toestanden zijn dus mogelijk bij gelijke parameters!
Met ons 1 dimensionele klimaatmodel kunnen we aan de slag om dat uit te zoeken. Het overschot aan energie (warmte) aan de evenaar en het gebrek aan energie aan de polen wordt, zoals we al gezien hebben, door stromingen in de atmosfeer en de oceanen in ‘evenwicht gebracht’. In ons model gaan we nu die stromingen variëren. In het model wordt dit door ‘F’ voorgesteld. Geen paniek, er komen geen nieuwe formules aan.
We houden rekening met de breedtegraad zoals we in de vorige les zagen. En de schuine stand van de aardas brengen we ook in rekening. Het albedo brengen we in rekening (hoog aan de polen, laag aan de evenaar). En zoals in de werkelijke wereld nu, stellen we in dat bij een gemiddelde temperatuur van -10°C op een bepaalde breedtegraad het ijs permanent wordt. We laten de zonneconstante S stijgen of dalen.
In onderstaande grafiek zie je wat er gebeurt. Eerst onderzoeken we hoe de aardtemperatuur van warm naar koud kan evolueren. In de linkse afbeelding zie je hoe goed de aarde ‘geïsoleerd’ is naargelang de breedtegraad. Hoe hoger de breedtegraad (90° = pool), hoe minder isolatie. Rechts zie je wat er gebeurt als we de zonneconstante veranderen. 1 is de waarde van S zoals die nu is. En wat zien we (rode lijn)? Wanneer we in het model vertrekken van een S van 1,3 (een praktisch ijsvrije aarde) en die langzamerhand verlagen naar 1, dan komen we uit op een gemiddelde globale oppervlakte temperatuur van 15°C, ongeveer wat nu in de echte wereld ook zo is. Ons model is dus consistent met die werkelijkheid! Verlagen we de zonneconstante nog meer dan zien we plots een kritisch punt. Het albedo wordt heel hoog en de aarde verzinkt in ijstijden en uiteindelijk in een ‘sneeuwbalaarde’ .
En wat met het omgekeerde scenario? Hoe geraakt de aarde uit een ijstijd? Wel zoals je ziet aan de blauwe lijn rechts duurt dat wel even. De S moet al boven de 1,3 gaan alvorens de temperatuur boven het nulpunt komt. Dit leert ons dat de aarde voor een gegeven S van 1370W/m2 twee waarden kan hebben : rood +15°C (heden) of -30°C. Alles hangt af van de voorgeschiedenis van de aarde. Kom je uit een ijstijd dan duurt het heel lang voor je er uit geraakt en omgekeerd is het hetzelfde. Dit wordt het hysteresisch proces genoemd : bi-stabiel gedrag op basis van voorgeschiedenis.
Wat leren we hieruit ? Eens er ijs is op aarde geraak je daar moeilijk van af, want het zorgt voor een hoog albedo en de temperatuur blijft laag, ondanks een hogere zonneconstante. Maar als die constante blijft stijgen (rode lijn), dan smelt het ijs wel in een relatief korte periode. Omgekeerd (blauwe lijn) geraak je ook niet zo snel in een ijstijd als de zonneconstante zakt, tot de gemiddelde temperatuur onder -10°C komt. Dan gaat de aangroei van ijs snel en dus ook een plotse stijging in albedo. In zo’n non-lineair systeem zijn snelle overgangen van de ene toestand naar de andere mogelijk. In het verleden is de Noord-Atlantische stromingen zo al op korte termijn gewijzigd geweest.
In ons model worden nog meer variabelen ingebracht waardoor ze complexer worden en nog meer non-lineair gedrag van het klimaat kunnen voorspellen. Zo komen we aan het begrip ‘kritische drempels’ waar het klimaat in relatief korte tijd van de ene toestand naar de andere overgaat.
De ontdekking van dit non-lineaire gedrag van het klimaat en ijstijden hebben we te danken aan een Russische wetenschapper Budyko midden 20e eeuw. Als het voor het aards klimaat zo moeilijk is om uit een ijstijd te geraken, met een zonneconstante van 1 zoals we nu hebben, hoe komt het dan dat we nu niet in een ijstijd zitten? Wel hier komen de koolstofcyclus feedback mechanismen om de hoek kijken. Meer daarover in de komende modules.
alle foto’s in deze zijn een schermafdruk van de cursus van de Penn State Univerity- SDG Academy en hebben een licentie onder creative commons voor publicatie
Reactie toevoegen