De vingerafdrukken van het broeikaseffect

De hypothese van "door de mens veroorzaakte klimaatverandering" houdt in dat de toename van de CO₂-concentratie het broeikaseffect van de atmosfeer versterkt en dat dit de opwarming van de Aarde als eindresultaat heeft.

Sinds het begin van het geïndustrialiseerde tijdperk rond 1850, stoot de mens een relatief grote hoeveelheid CO₂ uit in de atmosfeer door het gebruik van fossiele brandstoffen. Het gevolg van deze emissies is dat tijdens die periode de concentratie van CO₂ in de atmosfeer sterk steeg van ongeveer 300 deeltjes per miljoen (ppm) tot meer dan 400, een toename van bijna 40%. Tegelijkertijd steeg de gemiddelde temperatuur in dezelfde periode met ongeveer 1,5 °C met een kleine variatie afhankelijk van de gebruikte gegevensbron.

Er lijkt dus een correlatie te bestaan tussen de concentratie CO₂ en de temperatuur van de Aarde in deze periode. Maar het bestaan van een correlatie betekent niet automatisch dat er ook een causaal verband bestaat. Het kan puur toeval zijn dat deze twee concepten zich op een gesynchroniseerde manier ontwikkelen. In een vorig artikel zagen we bijvoorbeeld dat diezelfde correlatie voor andere tijdspannes niet bestaat.

Infraroodstraling

Om na te gaan of er een causaal verband bestaat tussen deze twee concepten, zoeken we naar verschijnselen die inherent zijn aan het vermeende verwarmingsproces als gevolg van een toename van het broeikaseffect. Het zijn de vingerafdrukken die aanwezig moeten zijn als het broeikaseffect werkelijk zou zijn toegenomen. Het meten van die verschijnselen zou ons dan uitsluitsel geven over de geldigheid van de hypothese.
Volgens de hypothese vertraagt de toename van broeikasgassen de afkoeling door infraroodstraling van het aardoppervlak. Deze infraroodstraling wordt geabsorbeerd door broeikasgassen en gedeeltelijk teruggevoerd naar de Aarde. Dit proces zou twee vingerafdrukken achterlaten:

• In het onderste deel van de atmosfeer, nabij het aardoppervlak, zouden we een toename van infraroodstraling naar het oppervlak moeten waarnemen gevormd door de energie die de Aarde uiteindelijk zou verwarmen
• Opdat deze energie in het Aardse systeem blijft om zo de Aarde te kunnen verwarmen, moet in de hoogste delen van de atmosfeer de tendens van de uitgaande infraroodstraling constant blijven of in ieder geval, minder snel stijgen dan de straling genoemd in het vorige punt.

Wat we dus in feite zoeken is een verandering in de balans tussen de behouden energie en de energie die verloren gaat in de ruimte. Zonder een verandering van die balans is het onmogelijk dat de Aarde opwarmt door het broeikaseffect.
In dit artikel wordt uitgebreid behandeld hoe deze twee vingerafdrukken zijn verkregen.

De hypothese op de proef gesteld

Uit de combinatie van deze twee kenmerkende vingerafdrukken kunnen we de volgende proef voorstellen om na te gaan of de hypothese klopt:


Gelukkig hebben we sinds 2000 dankzij de satellietinstrumenten CERES van de NASA gedetailleerde gegevens over de stromen van infraroodstraling in de Aardse atmosfeer.


In de grafiek bekijken we de gegevens van het satellietmeetsysteem CERES. De lichtrode lijn is infraroodstraling in het bovenste deel van de atmosfeer richting ruimte, terwijl de donkerrode lijn de infraroodstraling voorstelt die in de onderste delen van de atmosfeer richting aardoppervlak gaat.
Het is duidelijk dat de twee lijnen in grote mate overeenkomen. Er zijn periodes van toe- en afname van stralingsniveau's, vooral tijdens de periode 2008-2012 die samenvalt met de opeenvolgende fenomenen van la Niña, el Niño en daarna opnieuw la Niña en tijdens de super-El Niño van 2016, maar men kan in geen geval spreken van een geleidelijke divergentie tussen de tendensen van de twee soorten infraroodstraling.

Conclusie

In de periode van 2000 tot 2018 zagen we een duidelijke toename van de concentratie CO₂ in de atmosfeer van de aarde. Tegelijkertijd steeg de gemiddelde aardtemperatuur met 0,3 °C (satellietmetingen van de Universiteit van Huntsville, Alabama (UAH)).
We zien echter geen geleidelijke divergentie in de tendensen van de hoeveelheid infraroodstraling in het bovenste deel van de Aardse atmosfeer in vergelijking met deze hoeveelheid in het onderste deel ervan, een divergentie die noodzakelijkerwijs zou optreden bij een verhoogd broeikaseffect. De vingerafdruk ontbreekt en daarom:

Natuurlijke oorzaken

• Als het handelen van de mens die temperatuurstijging niet veroorzaakt, waar komt het dan door?
  Het begin van de industriële activiteit valt bijna perfect samen met het einde van de koudste periode van de laatste 10 duizend jaar die bekend staat onder de naam "de Kleine IJstijd". De toename van de temperatuur sindsdien is dus niets meer dan de terugkeer naar de 'normale' omstandigheden van het Holoceen van vóór de Kleine IJstijd.
  
  
• Als CO₂ een broeikasgas is en de concentratie ervan toeneemt, waarom veroorzaakt dit dan niet de waargenomen temperatuurstijging?
  Ja, dat lijkt een tegenspraak, maar dat is het niet. CO₂ absorbeert slechts een klein deel van het elektromagnetische spectrum, vooral straling met een golflengte rondom de 15 micrometer. De overgrote deel van de infraroodstraling wordt niet beïnvloed door CO₂.
  Bovendien heeft het CO₂-broeikaseffect een logaritmisch traject. Bij het stijgen van de CO₂-concentratie is er steeds minder straling binnen de CO₂-band van het elektromagnetische spectrum beschikbaar om geabsorbeerd te worden. Wanneer de concentratie boven een bepaalde waarde komt heeft het verhogen van de CO₂-concentratie geen meetbare invloed meer op de temperatuur. Dit staat bekend als "verzadiging". Het broeikaseffect van CO₂ was reeds verzadigd bij de CO₂-niveaus van vóór de Industriële Revolutie. Het heeft dus nooit een grote rol gespeeld in de periode sindsdien. Nadere informatie over de verzadiging van het broeikaseffect aan het begin van het Holoceen: Waarom stopte de opwarming?

Meer weten?

Het eerste deel van dit artikel is een samenvatting van deze studie. Het originele Engelstalige artikel biedt veel meer details over hoe ze tot deze conclusie zijn gekomen. Voordat je aan de tekst begint, is het handig om enkele afkortingen te kennen:

• DWLWIR - Downwelling Longwave Inward Radiation (langgolvige straling richting aardoppervlak)
• EALOR - Effective Atmospheric Layer of Outward Radiation (de hoogte waarop straling meer kans heeft om in de ruimte te verdwijnen dan om naar de aarde terug te keren)
• ToA - Top of Atmosphere
• sfc - surface

Tom van Leeuwen, september 2019.