Arctische amplificatie en het verre infrarood: de ontdekking van een nieuwe feedback in het klimaatsysteem?

De kop boven dit stuk zal er geen twijfel over laten bestaan: we duiken weer eens de harde wetenschap in. Dat mag wel weer een keer, al was het alleen maar om te laten zien waar de eenentwintigste-eeuwse wetenschap nu werkelijk mee bezig is, terwijl elders op het web sommigen eindeloos blijven hangen in wetenschappelijke discussies uit de twintigste of zelfs de negentiende eeuw. Het onderwerp van dit stuk ligt in het verlengde van mijn verhaal over de stralingsbalans; de aanleiding is een artikel in PNAS dat verscheen op het moment dat ik dat verhaal bijna af had: “Far-infrared surface emissivity and climate” van Feldman et al. (een persbericht over het onderzoek is te vinden op de site van het Berkely lab).

Ik ben geen klimaatwetenschapper, ik zou mezelf ook niet zo gauw een deskundige noemen, maar ik heb in de loop der jaren wel het nodige gezien en gelezen over het onderwerp. Het gebeurt dan ook niet meer zo vaak dat ik in de wetenschappelijke literatuur iets tegenkom waar ik nog helemaal niet bij stil had gestaan. Het artikel van Feldman et al. is zo’n zeldzame eye-opener. Ook dat was een reden om er verder in te duiken en er iets over te schrijven.

Dat eigenschappen van het aardoppervlak invloed kunnen hebben op de stralingsbalans aan de top van de atmosfeer – en dus op het klimaat – is geen nieuws. De belangrijkste factor is de albedo: de mate waarin het oppervlak zonlicht direct reflecteert. Maar dat is niet het enige. Eigenschappen van het oppervlak kunnen ook een behoorlijke invloed hebben op de karakteristieken van de warmtestraling die naar de atmosfeer en uiteindelijk het heelal uitstraalt. In het stuk over de stralingsbalans van eerder deze maand beperkte ik me voor wat die uitstraling betreft tot de wet van Stefan-Boltzmann. Als eerste benadering is dat prima, en het geeft zeker een goed beeld van het principe, maar strikt genomen geldt die wet alleen voor een “zwarte straler”. Nog belangrijker: voor het precieze effect op het klimaat is niet alleen de totale hoeveelheid warmtestraling van belang, maar ook het spectrum: de verdeling over verschillende golflengtes van die straling. Voor een zwarte straler geeft de wet van Planck het spectrum. Voor echte materie kan de uitstraling behoorlijk anders zijn dan die van een zwarte straler. De werkelijke uitstraling wordt gevat in het begrip emissiviteit.

Waar ik nooit bij stil had gestaan is hoeveel factoren het spectrum kunnen beïnvloeden, en hoe lastig het is om het spectrum van de door het aardoppervlak uitgezonden straling nauwkeurig te bepalen. Chemische, fysische en geometrische eigenschappen, op microscopische en macroscopische schaal, spelen allemaal een rol. Over de emissiviteit van het aardoppervlak is vooral in het gebied met de grootste golflengtes, het verre infrarood, nog veel onbekend. En dat terwijl ongeveer de helft van de door het aardoppervlak uitgestraalde warmte in dit golflengtegebied zit. De afbeelding hieronder geeft een indicatie van de emissiviteit van verschillende oppervlaktetypes.

Emissiviteit (indicatief) van diverse types aardoppervlak (bron: Feldman et al.)

Nu zou meer inzicht in de exacte emissiviteit van verschillende oppervlakken interessant zijn voor de wetenschap, maar niet zoveel praktische betekenis hebben – wie weet zou het hier en daar nog helpen om bepaalde lokale klimaat- of weersverschijnselen te begrijpen – ware het niet dat er in onze tijd het een en ander verandert aan het aardoppervlak. Een verandering van de eigenschappen van het oppervlak kan immers leiden tot een verandering in het uitgezonden spectrum. Een zo’n verandering is het smelten van sneeuw en ijs, door het opwarmende klimaat. De emissiviteit in het verre infrarood van sneeuw en ijs is aanzienlijk hoger dan van bijvoorbeeld het oceaanoppervlak. Als sneeuw en ijs smelten neemt het aandeel van het verre infrarood in het uitgezonden spectrum dus af.

Feldman verwacht een effect door die verandering in het spectrum vanwege een eigenschap van de atmosfeer die nu net voorkomt op de plekken waar veel sneeuw en ijs is: in de poolgebieden en op grote hoogtes. De absolute vochtigheid is daar laag, omdat koude lucht maar weinig water kan bevatten en omdat de luchtlaag boven hooggebergtes simpelweg dunner is. Het broeikasgas waterdamp absorbeert warmtestraling in het verre infrarood, maar als de lucht erg droog wordt kunnen sommige frequenties vrijwel ongehinderd passeren. Voor die frequenties wordt de atmosfeer dan transparant. De afbeelding hieronder laat dat zien: op de verticale as staat de luchtvochtigheid, uitgedrukt als kolom vloeibaar water over de hele hoogte van de atmosfeer, op de horizontale as het golfgetal (het omgekeerde van de golflengte) en de kleur geeft de mate van transparantie aan. De rode en gele kleuren aan de bovenkant van de afbeelding laten zien dat de atmosfeer steeds transparanter wordt voor ver-infrarode straling, als de lucht droger wordt.

Transparantie van de atmosfeer voor verschillende golflengtes in het verre infrarood bij lage absolute vochtigheid (bron: Feldman et al.)

Samengevat: door relatief veel warmtestraling in het verre infrarood uit te zenden helpen sneeuw en ijs de uitstraling van warmte naar het heelal, wanneer de atmosferische kolom weinig water bevat. In de poolgebieden en op grote hoogte kan een aanzienlijke hoeveelheid warmte op door de tralies van het broeikaseffect ontsnappen uit de atmosfeer. Wanneer ijs en sneeuw smelten neemt het type straling dat zich tussen die tralies door kan wurmen af. De afname van het sneeuw- en ijsoppervlak bij opwarming (of de toename bij afkoeling) zou een verandering van het klimaat nog meer versterken dan tot dusver werd aangenomen op basis van alleen de albedo.

De onderzoekers vermoeden dat dit effect een rol van betekenis kan spelen in de Arctische amplificatie. Om een idee te krijgen van de mate waarin het invloed kan hebben, hebben ze modelberekeningen waarin het effect is meegenomen vergeleken met berekeningen waarin dat niet gebeurde. De onderzoekers benadrukken het grote aantal onzekerheden dat er nog is in hun artikel, de vergelijkende modelberekeningen zijn daarom indicatief. De resultaten van die berekeningen laten zien dat ze wel eens iets op het spoor zouden kunnen zijn. De afbeeldingen hieronder geven de vergelijkingen van de temperatuur en de sneeuw- en ijsbedekking.

Berekende temperatuur met een model waarin rekening gehouden wordt met emissiviteit in het verre IR, minus een berekening waarin dat niet gebeurt (indicatief, bron: Feldman et al.)

Berekend ijsoppervlak met een model waarin rekening gehouden wordt met emissiviteit in het verre IR, minus een berekening waarin dat niet gebeurt (indicatief, bron: Feldman et al.)

Dat het Noord- en Zuidpoolgebied elkaars tegenpolen zijn in het veranderende klimaat was al bekend, dat dat tegengestelde gedrag in de echte wereld nog groter is dan in klimaatmodellen ook. De hypothese van Feldman zou dit verschil (deels) kunnen verklaren. Of die verklaring ook standhoudt zal nog moeten blijken. Daarvoor zijn vooral nauwkeuriger gegevens nodig over de emissiviteit in het verre infrarood van de verschillende types aardoppervlak.