Toename van CO2 versterkt het broeikaseffect

Metingen aan de infraroodstraling die door de atmosfeer naar de aarde terug wordt gezonden, laten zien dat de stijgende CO2-concentratie heeft geleid tot een versterking van het broeikaseffect: meer en meer infraroodstraling in precies die golflengten waar CO2 absorbeert, wordt teruggestraald naar het aardoppervlak.

Broeikasgassen in de atmosfeer absorberen infrarood licht dat door de aarde wordt uitgestraald en zenden dat vervolgens in alle richtingen weer uit. Het teruggestraalde infrarode licht zorgt ervoor dat de aarde en de oceanen warmer zijn dan ze zouden zijn zonder de aanwezigheid van broeikasgassen: het broeikaseffect. Zonder dit broeikaseffect was het op aarde gemiddeld circa -18 °C. Als de concentratie aan broeikasgassen in de atmosfeer toeneemt, wordt het broeikaseffect versterkt. Figuur 1 geeft de uitgestraalde infraroodstraling door de aarde als functie van het golfgetal (het omgekeerde van de golflengte). Daarin is duidelijk te zien dat broeikasgassen zoals CO2, waterdamp of CH4 bij bepaalde golflengten de uitstraling naar het heelal toe verminderen. Het grote gat rond 667 cm-1 (golflengte 15 µm) wordt veroorzaakt door CO2.

Figuur 1. Uitgaande straling bij de top van de atmosfeer met daarin de absorptie bij bepaalde golflengten van diverse broeikasgassen. De rode lijn is de zogenaamde ‘black body’ emissie van 294 °K. Bron NASA.

De meesten van de zogenaamde klimaatsceptici ontkennen niet het bestaan van het broeikaseffect en het versterkte broeikaseffect. Men denkt vaak echter dat de invloed van het versterkte broeikaseffect beperkt is en sommigen beweren ook dat het nooit experimenteel is aangetoond. Als voorbeeld een opmerking op deze site van Arthur Rörsch:

“Er geen waarnemingen in situ zijn waaruit een belangrijke rol voor CO2 zou blijken”.

Metingen die alléén de invloed van een toename van de CO2 concentratie op het broeikaseffect aan het oppervlak van de aarde, en dus de opwarmende invloed van die gestegen hoeveelheid CO2 in de atmosfeer, lieten zien, zijn inderdaad schaars. Het goed meten daarvan is blijkbaar geen eenvoudige zaak. Eind februari 2015 is er echter een studie van Feldman et al in Nature verschenen waaruit die invloed van een toegenomen CO2-concentratie duidelijk met metingen is aangetoond.

Voordat de studie van Feldman 2015 verscheen, waren er vanzelfsprekend al studies verricht aan het uitgaande of teruggestraalde infrarood licht (IR). Dat laatste wordt in het Engels Downward Longwave Radiation, DLR, genoemd (soms ook LDR).

In 2001 liet Harries et al via een vergelijking van satellietmetingen zien dat de infrarode straling die de aarde naar het heelal uitstraalt, over 1970 tot 1997 afgenomen was bij precies die golflengtegebieden waar de broeikasgassen absorberen. Een update daarvan voor de periode 2003-2012 is te vinden in Chapman 2013 dat eenzelfde beeld gaf. Zie figuur 1, de dips in de grafieken geven aan dat de uitgaande infraroodstraling is afgenomen over de meetperiode.

Figuur 2. Bovenste figuur is de verandering in het spectrum van de uitgaande IR straling afkomstig van de aarde over 1970 – 1997 (Harries 2001). Hetzelfde geldt voor de onderste figuur, nu betreft het de periode 2003 – 2012 (Chapman 2013, bron SkepticalScience).

Een overzicht van diverse studies betreffende het naar de aarde teruggestraalde IR is te vinden op deze AGW Observer pagina:

https://agwobserver.wordpress.com/2009/08/19/papers-on-changes-in-dlr/

In een daarvan, Philipona 2004 Radiative forcing – measured at Earth’s surface – corroborate the increasing greenhouse effect, heeft men metingen aan teruggestraald IR geanalyseerd over 8 jaar (1995 – 2002) van 8 meetstations in de Alpen. Om het effect van de toename van broeikasgassen en de terugkoppelingen daarvan te isoleren, heeft men het teruggestraalde IR (zij gebruiken de term LDR) gecorrigeerd voor het effect van wolken, de toename van de temperatuur en de verandering in de luchtvochtigheid die alleen het gevolg is van transport van warme lucht. Zie figuur 3.

Figuur 3. Jaarlijkse gemiddelden van het teruggestraalde IR voor 8 stations (rood en blauw) in de Alpen, in het groen het gemiddelde van de 8 stations. 3a bevat de teruggestraalde IR data gecorrigeerd voor wolken, 3b bevat tevens een correctie voor invloed van temperatuur en 3c ook de correctie voor de toename van waterdamp als gevolg van advectie. Grafiek 3c geeft daarmee aan wat de toename in LDR is als gevolg van de toename in de broeikasgasconcentraties en de daaraan gerelateerde terugkoppelingen. Figuur 3 uit Philipona 2004.

Philipona en zijn medeauteurs vonden een toename in de stralingsforcering door het versterkte broeikaseffect inclusief terugkoppelingen van 1.8 ± 0.8 W/m² over 8 jaar. Zij wonden er vervolgens geen doekjes om en concludeerden dat hun analyse van metingen in het Alpengebied de theorie achter opwarming van de aarde door broeikasgassen bewees:

“The resulting uniform increase of longwave downward radiation manifests radiative forcing that is induced by increased greenhouse gas concentrations and water vapor feedback, and proves the ‘‘theory’’ of greenhouse warming with direct observations.”.

Een andere interessante studie uit dat lijstje van de AGW Observer is er een van Wang en Liang uit 2009 (h/t semyorka bij And Then There’s Physics). Hierin nemen zij metingen aan teruggestraald IR van 3200 verschillende locaties verspreid over de aarde over de periode 1973 – 2008 onder de loep. Zij vonden dat het teruggestraalde IR bijna overal op aarde toe was genomen en op het noordelijk halfrond het snelst, zie figuur 4. De gemiddelde toename was 2.2 W/m² per decennium, dit is inclusief een berekende bijdrage van CO2.

Figuur 4. De trend in W/m² per jaar van het teruggestraalde IR voor 3600 meetstations verspreid over de aarde over de periode 1973 – 2008. (Zie ook punt 6 van de SkepticalScience Human Fingerprints).

En dan nu eindelijk Feldman et al 2015. Zij hebben analyses verricht aan teruggestraald IR over de periode 2000 tot 2010 op twee plekken in de Verenigde Staten, de ‘Southern Great Plains’ en de ‘North Slope of Alaska’. In die periode is de CO2 concentratie met circa 22 ppm gestegen van 370 tot 392 ppm. Feldman en zijn medeonderzoekers hebben uit hun metingen het signaal van alleen CO2 gefilterd, de CO2-forcering, door gebruik te maken van een zogenaamd ‘Line-by-Line Radiative Transfer Model’. Figuur 5 geeft de vergelijking van de CO2 forcering en de CO2-concentratie weer voor de locatie ‘North Slope of Alaska’, de vergelijking voor de andere locatie is weergegeven in de afbeelding aan het begin van dit blogstuk. De trend in de CO2-forcering is +0.2 W/m² per decennium voor zowel de locatie ‘Southern Great Plains’ als de ‘North Slope of Alaska’, de onzekerheid in de trends is respectievelijk ±0.06 W/m² en ±0.07 W/m². Fraai is dat zelfs de variatie in de CO2-concentratie als gevolg van de seizoenen terug te zien is in de forcering.

Figuur 5. Een vergelijking tussen de CO2-concentratie (grijs) en forcering (rood) voor de locatie ‘North Slope of Alaska’ in de Verenigde Staten over 2000 – 2010. De afbeelding in het begin van dit blogstuk betreft de metingen van een andere locatie, de ‘Southern Great Plains’. De trend in de forcering is de blauwe lijn en de onzekerheid daarin de lichtblauwe band. De twee afbeeldingen zijn resp. figuur 4 a en c uit Feldman 2015.

Feldman 2015 laat zien dat de stijging van de CO2-concentratie over de periode 2000 – 2010 het broeikaseffect versterkt. Een mooi experimenteel bewijs ‘voor de belangrijke rol van CO2’!

Hieronder de video zoals die bij het persbericht is te vinden en het laatste woord is aan de auteurs van Feldman 2015:

“These results confirm theoretical predictions of the atmospheric greenhouse effect due to anthropogenic emissions, and provide empirical evidence of how rising CO2 levels, mediated by temporal variations due to photosynthesis and respiration, are affecting the surface energy balance.”.