Minder ijs in wolken kan bijdragen aan hoge klimaatgevoeligheid

Begin dit jaar schreven we over de hogere klimaatgevoeligheid die zou volgen uit simulaties met de nieuwste versies van veel klimaatmodellen. Veel klimaatwetenschappers hadden hun twijfels over die resultaten. Eerst maar eens uitzoeken welke nieuwtjes in de modellen dat verschil met de vorige versies veroorzaken, zo vonden ze. Dat onderzoek is in volle gang.

Hoofdverdachte is, zo schreven we in februari, de manier waarop bewolking in die modellen wordt meegenomen. Veranderingen in bewolking kunnen de opwarming van het klimaat versterken of verzwakken. Dergelijke veranderingen zijn dus een terugkoppeling in het klimaatsysteem. Of eigenlijk zijn er verschillende terugkoppelingen van bewolking.

Een versterkende terugkoppeling is de toenemende hoogte van hoge bewolking bij een stijging van de temperatuur. Hoge bewolking is dun en houdt maar weinig zonlicht tegen. Het water in de wolk kan wel uitgaande warmtestraling absorberen. Hoge wolken houden de luchtlaag eronder warm; ze versterken het broeikaseffect. Stijgen die hoge wolken, dan wordt die luchtlaag eronder dus dikker. De temperatuur van de wolken zelf verandert niet. De verticale temperatuurgradiënt in de luchtlaag eronder blijft ook nagenoeg constant, waardoor de temperatuur aan het oppervlak stijgt. Dit levert dus extra opwarming op. De afbeelding hieronder illustreert het principe.

Een tweede versterkende terugkoppeling is de afname van de hoeveelheid lage bewolking. Lage bewolking is vaak dikker en daardoor een betere reflector voor zonlicht. Lage bewolking koelt het aardoppervlak af. (Kanttekening: dit is het netto-effect. Bewolkte dagen zijn koeler, bewolkte nachten juist warmer door het broeikaseffect van het water in de wolk, maar het effect op de dagtemperatuur is het grootst.) Neemt de lage bewolking af bij een hogere temperatuur, dan valt er meer zonlicht op het aardoppervlak, wat de opwarming versterkt.

Een onderzoek uit 2019 vond zelfs een mogelijk kantelpunt in de wolkenbedekking boven de subtropische oceanen. Zo’n 20% van de atmosfeer wordt daar bedekt door een stratocumuluswolken. Die vormen vaak een aaneengesloten wolkendek. De stabiliteit van dit wolkendek zou verstoord kunnen worden door de combinatie van een sterker broeikaseffect, waardoor de stralingsbalans aan de bovenkant van de bewolking verandert, en een hogere temperatuur van de oceaan. Het wolkendek breekt dan op in losse cumuluswolken. Lokaal kan de temperatuur daardoor mogelijk met 10°C stijgen. De gemiddelde wereldtemperatuur stijgt minder, maar nog steeds fors, mede doordat de extra warmte door stromingen in de atmosfeer en de oceanen over een groot deel van de aarde wordt verspreid.

Hoogstwaarschijnlijk gebeurt dit niet op korte termijn. De verwachting is dat het op zou kunnen treden als de CO₂-concentratie stijgt tot boven de 1200 ppm, of nog hoger. Als het gebeurt komt de stratocumulus niet zomaar weer terug als de CO₂-concentratie weer wat daalt. De extra temperatuurstijging houdt de nieuwe situatie in stand. Pas bij zo’n 300 ppm is het voldoende afgekoeld om weer een dek van stratocumuluswolken te laten ontstaan. Belangrijke nuancering: het onderzoek concentreert zich op lokale omstandigheden waarbij de stratocumulus instabiel wordt. Door bijvoorbeeld lokale verschillen en de afwisseling van seizoenen is het kantelpunt waarschijnlijk minder scherp dan het onderzoek suggereert. In werkelijkheid zou er dus meer sprake kunnen zijn van een geleidelijke verandering. Meer informatie over dit onderzoek is hier te vinden.

Ook de eigenschappen van wolken kunnen veranderen als het klimaat warmer wordt. Een stijging van de temperatuur zal bijvoorbeeld zorgen voor een afname van het aantal vaste ijskristalletjes en een toename van het aantal vloeibare waterdruppeltjes in bewolking. Dit is het onderwerp van een recent artikel van een groep Noorse wetenschappers in Nature Geoscience. Vloeibare waterdruppeltjes in wolken zijn in het algemeen kleiner van formaat en groter in aantal dan ijskristallen. Het grote aantal kleine druppeltjes maakt de wolken witter: ze reflecteren meer zonlicht. Wolken die uit water bestaan zijn dus beter in het koelen van het aardoppervlak. Dat er minder ijs en meer water voorkomt in wolken als het warmer wordt is dus een verzwakkende terugkoppeling, die de versterkende terugkoppelingen deels compenseert.

Maar toch zien Jenny Bjordal en haar coauteurs hier een verklaring voor de hogere klimaatgevoeligheid van de nieuwe modellen. Er zit namelijk een grens aan deze verzwakkende terugkoppeling: hij doet het niet meer als er te weinig ijskristalletjes overblijven in de wolken. Een wolk kan niet alsmaar nog witter worden. Het onderzoek illustreert dat de klimaatgevoeligheid niet noodzakelijk constant is. De Noorse onderzoekers verwachten een hogere gevoeligheid bij een opwarming vanaf 3 tot 4°C boven pre-industriële temperatuur. Net als het mogelijk verdwijnen van de subtropische stratocumulus is het dus niet iets dat op korte termijn te verwachten is. Het kan wel het worst-case scenario, een sterke toekomstige opwarming die al voor tal van problemen zorgt, nog ernstiger maken. Daarnaast zouden deze onderzoeken bij kunnen dragen aan een verklaring voor de hoge temperaturen die de aarde in het verre verleden heeft gekend.

De veranderende verhouding tussen ijs en vloeibaar water heeft volgens het Noorse onderzoek vooral veel invloed op bewolking boven de Zuidelijke Oceaan. Het sluit daarmee aan bij een constatering die begin dit jaar al werd gedaan over de modellen met een hoge klimaatgevoeligheid: die laten met name in de omgeving van Antarctica een sterke opwarming zien. De verandering in witheid van wolken boven de Zuidelijke Oceaan die de opwarming daar nu nog afremt wordt ook door satellieten waargenomen. Volgens de Noorse onderzoekers stemmen die waarnemingen goed overeen met hun model. Ook simuleert het model het verloop van de mondiale temperatuur sinds 1850 adequaat. Alles bij elkaar is er daarom weinig in te brengen tegen hun conclusie: een hoge klimaatgevoeligheid bij hogere temperaturen is hiermee een aannemelijke mogelijkheid.

De afbeelding hieronder laat zien hoe de witheid van de bewolking, ofwel de optische dikte, volgens dit onderzoek verandert als het klimaat opwarmt. Een verandering in de verhouding tussen ijs en vloeibaar water is niet de enige factor die invloed heeft. Ook de totale hoeveelheid water en de druppelgrootteverdeling spelen bijvoorbeeld een rol. In de afbeelding is het gezamenlijke effect van die factoren te zien. Het model heeft gerekend met een instantane verviervoudiging van de CO₂-concentratie. In het bovenste deel is de verandering in de eerste vijftien jaar van een simulatie over anderhalve eeuw weergegeven, in het onderste deel die over de laatste 15 jaar. Het verschil boven de Zuidelijke Oceaan is duidelijk zichtbaar. In eerste instantie, als de opwarming nog maar net is begonnen, remt de optische dikte van de wolken de opwarming daar aanzienlijk af. Maar later is er van die afremming niet zoveel meer over.

Meer informatie over dit onderzoek:

• Redactioneel commentaar in Nature Geoscience;
• Toelichting van de onderzoekers op Carbon Brief;
• Artikel van Inside Climate News. In dit artikel komt ook de invloed van roetdeeltjes op bewolking en het effect daarvan op het klimaat aan de orde.