|

5 april 2021 (updated: 8 april)

IPCC dataset voor de zon verklaart in combinatie met vulkanisme ruim de helft van de opwarming sinds 1815 tijdens het Dalton minimum

Na een fase correctie van 30 jaar toont de IPCC AR5 dataset voor de totale zonnestraling [TSI] in combinatie met een index voor vulkanische activiteit, vanaf 1740 een correlatie van 0,95 met de mondiale temperatuur (volgens het 2 Degrees Institute) op basis van het 22-jarig voortschrijdend gemiddelde

Martijn van Mensvoort

De zon levert bijna alle energie die het klimaatsysteem van de aarde aandrijft. Binnen het perspectief van klimaatverandering is het daarom van belang om de fluctuaties in de totale zonnestraling aan de top van de atmosfeer zorgvuldig te bestuderen. De relatie tussen de temperatuur en de belangrijkste cyclus van de zon (de 22-jarige Hale cyclus) wordt onvoldoende begrepen. Daarom is hier gekozen voor een analyse gericht op het 22-jarige voortschrijdend gemiddelde van de volgende 6 factoren: mondiale temperatuur & CO2 [2 Degrees Institute beide], drie verschillende TSI datasets [NRLTSI2, SATIRE SandT en LISIRD] en een index voor vulkanisme [GISS AOD verlengt met ICI global AOD index]. Vervolgens wordt voor de TSI dataset die in het meest recente uitgebreide klimaatrapport van het IPCC is gebruikt (SATIRE SandT vormt de basis voor de TSI in AR5, 2013) aangetoond dat deze na een fase correctie van 30 jaar in combinatie met vulkanisme ruim de helft van de mondiale opwarming verklaard die sinds 1815 tijdens het Dalton minimum is ontstaan. De combinatie van de zon en vulkanisme toont bovendien voor de periode vanaf 1740 een hoge correlatie (0,952) met de temperatuur. Voor de temperatuur van het zeewateroppervlak kan bijna 2/3 (62,8%) van de opwarming worden verklaard. Tenslotte volgt een beschrijving van de belangrijkste variaties tussen de nieuwste generatie TSI datasets, welke bekend staan onder de namen CHRONOS (semi-empirisch) en EMPIRE (empirisch). Hieruit blijkt dat onder expert astronomen tenminste sinds 2011 bekend is dat er nooit consensus is ontstaan over de omvang van de invloed van de zon op de aarde, doch tenminste sinds 2012 is bekend dat de zon mogelijk via een vertraagd effect een flinke impact kan hebben gehad op de ontwikkeling van de mondiale temperatuur tot in de 21ste eeuw.

In recente rapporten van expert astronomen staat beschreven dat er geen consensus bestaat over de amplitude van de totale zonnestraling [TSI] sinds het Maunder minimum rond het einde van de 17de eeuw [Egorova et al., 2018]. 2016 Schattingen zaten nog in een bandbreedte van 0,6-3,0 W/m2 [Dudok de Wit et al., 2016] maar deze zijn anno 2020 inmiddels gereduceerd tot een bandbreedte van 1,3-2,7 W/m2 [Yeo et al., 2020]. Tevens bestaat er geen consensus over het verloop van de variaties die in de tussentijd zijn ontstaan [Yeo et al., 2017]; hier variëren de schattingen van een daling van 0,75 W/m2 tot een stijging van 6,3 W/m2 [Yeo et al., 2020]. De verschillen tussen de diverse TSI datasets zijn dus groot; dit verklaart waarom het gewicht dat wordt toegedicht aan de rol van de zon in klimaatverandering sterk varieert per TSI dataset [Haigh, 2007].

In aanloop naar het volgende uitgebreide klimaatrapport van het IPCC (AR6) gebruiken klimaatmodelleurs voor de TSI de gemiddelde waarde van de NRLTSI2 (dit betreft een empirisch model) en de SATIRE (dit betreft een semi-empirisch model) [Matthes et al., 2017, Kopp & Shapiro, 2021]. In dit onderzoek wordt tevens gebruik gemaakt van de LISIRD dataset, welke fungeert als een TSI tijdreeksplot die binnen het Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) werd ontwikkeld om te worden gebruikt door het IPCC [Kopp, 2020].

---

In het perspectief van de afgelopen 4 eeuwen tonen zon en temperatuur beide een multidecennium oscillatie

D.m.v. het 22-jarig voortschrijdend gemiddelde wordt de impact van de Hale cyclus geneutraliseerd. Figuur 1 beschrijft het 22-jarig voortschrijdend gemiddelde voor: drie TSI datasets [NRLTSI2, SATIRE SandT en LISIRD] in combinatie met een AOD vulkanische index [GISS AOD verlengt met ICI global AOD] en de datasets voor de mondiale temperatuur en CO2 die door het 2 Degrees Institute worden gepresenteerd. Bij de 2 Degrees Institute temperatuur dataset heeft de periode tot 1880 enkel betrekking op het noordelijk halfrond (op basis van de dataset van Mohberg et al.,2005). Tevens beschrijft figuur 1 de TSI dataset in IPCC AR5 (deze dataset is gebaseerd op de SATIRE SandT) plus de GISTEMP v4 dataset (dit betreft de temperatuur dataset van de NASA). Het 22-jarig voortschrijdend gemiddelde van de TSI dataset van het IPCC toont tussen 1750 en 2000 een variatie met een bandbreedte van ongeveer 1 W/m2.

Figuur 1 toont tevens de kern van het belangrijkste vraagstuk binnen de klimaatwetenschap. Enerzijds toont de temperatuur een (zeer) sterke correlatie met CO2. Echter, anderzijds tonen zowel de mondiale temperatuur als alle datasets voor de zon voor de periode vanaf 1700 een multi-decennium oscillatie die ontbreekt in de ontwikkeling van CO2. Bovendien tonen de drie TSI datasets ook een opvallend hoge correlatie met het verloop van de temperatuur, met name m.b.t. de periode tot 1965 (overigens, t.g.v. de 22-jarige zonnecyclus is voor jaarwaarden de correlatiewaarde fors lager t.o.v. het 22-jarig voortschrijdend gemiddelde). De GISTEMP v4 dataset van de NASA - welke begint in 1880 - toont binnen dit perspectief correlatie waarden van +0,90 met alledrie de TSI datasets.

---

Figuur 1 (1610-2020): 22-jarig voortschrijdend gemiddelde van 4 datasets voor de totale zonnestraling (TSI aan de top van de atmosfeer), 2 datasets voor de mondiale temperatuur en een vulkanisme index + de onderlinge correlaties. De TSI dataset van het IPCC toont tussen 1750 en 2000 een variatie van 1 W/m2. De relatief hoge TSI waarden bij de LISIRD in de periode voor 1885 zijn het gevolg van het gebruik van de SILSO data, welke sinds 2015 bekend staat als de opvolger van de 'zonnevlekkengroepnummers' die in 1998 werden geintroduceerd [Kopp et al., 2016]. Overigens, de SILSO data zal niet worden gebruikt in het volgende klimaatrapport van het IPCC (AR6) [Matthes et al., 2017]. Voor meer details (inclusief de jaarwaarden van de oorspronkelijke datasets), zie: Excel data file.

---

Van belang is ook dat volgens het 2013 klimaatmodel van het IPCC (zie figuur 2) vanaf 1970 de totale antropogene radiatieve forcering (RF) met ongeveer de helft (~50%) sterker is gegroeid dan de RF t.g.v. CO2. Dit impliceert dat de sterke opwaartse beweging van de temperatuur en CO2 geenszins 1-op-1 direct met elkaar in verband kunnen worden gebracht; immers, de impact van de totale antropogene RF is dus aanzienlijk groter dan de RF t.g.v. CO2. Tevens blijkt uit het RF model van het IPCC dat de antropogene invloed waarschijnlijk nihil is geweest tot 1860, terwijl de temperatuur tussen het Maunder minimum en 1860 een stijging laat zien van ongeveer 0,4 °C. Bovendien toont zowel de totale RF als de totale antropogene RF vanaf 1750 een opwaarts gericht verloop zonder een oscillerende beweging. Het IPCC model suggereert o.a. dat de temperatuur in de periode 1883-1893 duidelijk lager zou behoren te liggen dan in de periode 1750-1780 het geval is geweest. Echter, uit figuur 3 blijkt dat de empirische temperatuur data het omgekeerde beeld toont. Kortom, het RF model van het IPCC presenteert overduidelijk geen verklaring voor de oscillerende beweging van de temperatuur tot het einde van de 19de eeuw.

---

Figuur 2: IPCC model voor de radiatieve forcering [IPCC, 2013]. De inschatting voor de zonneforcering is o.a. gebaseerd op een vergelijking tussen de zonneminimum jaren 1745 en 2008 (hierbij is tevens gekeken naar de gemiddelde waarden over een periode van 7 jaar); de omvang van de zonneforcering bedraagt ongeveer 2% van de totale antropogene forcering. Echter, in de rapporten van het IPCC wordt anno 2020 nog steeds geen rekening gehouden met het bestaan van niet-lineaire verbanden, zoals faseverschillen [Dudok de Wit et al., 2016].

---

Opvallend is tevens dat binnen het denkkader van het IPCC m.b.t. de zonneforcering wordt veronderstelt dat deze slechts een (zeer) kleine invloed heeft, met fluctuaties over een periode van een decennium in de orde van grootte van 0,2 W/m2. Door betrokken klimaatmodelleurs is onderkend dat de atmosfeer van de aarde mogelijk verantwoordelijk is voor het ontstaan van een versterkende factor voor de activiteit van de zon [Dudok de Wit et al., 2016]. Bekend is dat het signaal van de zon in het bovenste deel van de stratosfeer een temperatuureffect veroorzaakt in de orde van 3 °C; in het bovenste deel van de mesosfeer gaat het zelfs om een temperatuureffect in de orde van 3°C tot 50 °C [Dudok de Wit et al., 2016]. Experts onderkennen tevens dat de versterkende factor ook in de troposfeer (waarin wij leven) aanzienlijk is en waarschijnlijk een waarde heeft die in de orde van grootte ligt van de bandbreedte 2 tot 4 (ofschoon een waarde van 6 ook tot de realistische mogelijkheden behoort). De versterkende factor voor natuurlijke invloeden is waarschijnlijk aanzienlijk groter is dan de versterkende factor voor antropogene invloeden, zie figuur 3 [Haigh, 2007].

In de klimaatmodellen van het IPCC is daarentegen veronderstelt dat deze versterkende niet bestaat omdat geen consensus bestaat over de omvang. Dit mag opmerkelijk worden genoemd omdat de onzekerheid m.b.t. de antropogene invloeden wel in de klimaatmodellen wordt verrekend; dit verklaart o.a. waarom aan de klimaatgevoeligheid van CO2 een grote bandbreedte wordt toegekend. Logischerwijs betekent dit dat de invloed van de zon binnen het denkkader van het IPCC structureel is onderschat (naast de versterkende factor en niet-lineaire verbanden wordt ook de fundamenteel belangrijkste cyclus van de zon over het hoofd gezien, want de 22-jarige Hale cyclus is anno 2020 nog nooit genoemd in de rapporten van het IPCC). De invloed van CO2 wordt daarom waarschijnlijk overschat. De 22-jarige Hale cyclus vormt de basis van een dubbele 11-jarge Schwabe cyclus, welke beter bekend staat als de zonnevlekkencyclus.

---

Figuur 3: [rechter panel, Haigh, 2007] Empirische data binnen het klimaat systeem wijst in de richting van het bestaan van een versterkende factor, die waarschijnlijk een hogere impact heeft voor natuurlijke invloeden (zoals de zon) dan voor antropogene invloeden (waaronder CO2). [linker panel, White et al., 1997] White beschrijft een inschatting voor de klimaatgevoeligheid van de zeewateroppervlaktetemperatuur in relatie tot de TSI aan de top van de atmosfeer in de orde van 0,2-0,4 °C per W/m2 (omgerekend naar het aardoppervlak op basis van de rekenmethode van het IPCC impliceert dit een amplitude met een waarde van 0,04-0,07 °C per W/m2); hierbij wordt tevens gesproken over faseverschillen tussen de zon en de temperatuur die voor het interdecennium signaal (= op basis van de Hale cyclus) kunnen oplopen tot maximaal 7 jaar t.a.v. de vertraagde temperatuur respons t.g.v. de zon. De TSI data onderaan in het linker panel van figuur 3 toont het decenium signaal (= op basis van de Schwabe cyclus); het verloop komt sterk overeen met de IPCC TSI data voor de periode 1955-1995 die wordt beschreven in figuur 1. Een vergelijking gericht op de ontwikkeling van de temperatuur data in figuur 1 en figuur 3 maakt duidelijk dat de mondiale temperatuur in de periode 1955-1995 aanzienlijk harder is gestegen dan de zeewateroppervlaktetemperatuur (= global ocean).

---

Onder expert astronomen bestaat geen consensus over zowel de omvang- als ook de invloed van de fluctuaties van de zon op het klimaat van de aarde (meer hierover volgt in de laatste paragraaf). In het RF model van het IPCC is de invloed van de zon ongeveer een factor ~6 (= 17,5%) kleiner voorgesteld dan de TSI aan de top van de atmosfeer op basis van de bolvorm van de aarde en de Albedo factor. Deze berekening is op zichzelf correct, doch de impact van deze berekening kan eigenlijk niet geheel los behoren te worden gekoppeld van de discussie m.b.t. de omvang van de versterkende factor. Bovendien wordt in de laatste paragraaf beschreven dat volgens de semi-empirische CHRONOS modellen de fluctuaties in het signaal van de zon sinds het Maunder minimum (de helft 17de eeuw) in potentie een orde van grootte hoger zijn geweest dan wat de IPCC TSI dataset (op basis van de SATIRE SandT) beschrijft. De absolute omvang van het TSI signaal omgerekend naar het oppervlak van de aarde vormt daarom geenszins een solide argument om te veronderstellen dat de invloed van de zon op de ontwikkeling van de mondiale temperatuur afgelopen 4 eeuwen gering moet zijn geweest.

Figuur 1 toont een beeld dat suggereert dat m.b.t. de periode rond het Dalton minimum een RF combinatie van vulkanisme en de zon verantwoordelijk kan zijn geweest voor het ontstaan van de temperatuurdip in de periode tussen 1800 en 1850. Tevens blijkt uit figuur 1 dat ook de andere periodes met veel vulkanisme zijn ontstaan tijdens fasen waarbij de activiteit van de zon een langdurig dalende trend toont. Opvallend is hierbij dus dat de temperatuurdip tijdens het Dalton minimum parallel lijkt te zijn ontstaan met een dip in de activiteit van de zon als ook met een piek in vulkanische activiteit; echter, daarentegen wordt bij zowel het Maunder minimum als het Moderne minimum de bodem van de temperatuurdip pas enkele decennia na de dip in de activiteit van de zon aangetroffen. De volgende paragraaf presenteert het resultaat van een analyse waarbij rekening wordt gehouden met de mogelijkheid van het bestaan van een (al dan niet stabiel) faseverschil tussen de mondiale temperatuur en de activiteit van de zon op basis van de TSI dataset die in het IPCC AR5 rapport (2013) is gebruikt.

---

Na een fase-correctie toont de zon in combinatie met vulkanisme dezelfde oscillatie als de temperatuur

M.b.v. een lineaire regressie analyse (uitgevoerd m.b.v. PSPP software) is op basis van de periode tussen 1741 en 1900 onderzocht in hoeverre vulkanisme in combinatie met een vertraagde impact van de zon het verloop van de mondiale temperatuur kan verklaren. De keuze om hierbij te werken op basis van data t/m 1900 is erop gericht om de invloed van antropogene RF te beperken. Figuur 2 suggereert dat deze keuze verantwoord is omdat volgens het RF model van het IPCC pas vanaf ongeveer van 1914 de totale RF een (duidelijk) positieve waarde behoudt gedurende een opeenvolgende periode met een lengte langer dan de 11-jarige zonnevlekkencyclus. Voorafgaand aan 1914 blijkt het dus moeilijk om de invloed van antropogene factoren te onderscheiden van natuurlijke factoren.

---

Figuur 4a: Na een fase-correctie van 30 jaar verklaart de zon in combinatie met vulkanisme ruim de helft (50,5%) van de opwarming die sinds 1815 tijdens het Dalton minimum is ontstaan. Voor de periode voorafgaand aan 1740 kan de SARITE SandT worden verlengd m.b.v. de andere TSI datasets. Wanneer de NRLTSI2 wordt gebruikt voor de periode 1691 t/m 1739 en de LISIRD voor de periode 1650 t/m 1690 dan blijkt de temperatuur de TSI ook voorafgaand aan 1740 volgen. Het is ook opvallend dat de temperatuur pas vanaf 1981 een verloop toont dat duidelijk niet door de combinatie van zon en vulkanisme kan worden verklaart; dit betreft de periode waarin het gat in de ozonlaag bij de zuidpool manifest is geworden (vanaf het jaar 1979). [Het TSI gewicht van 0,505 is van toepassing op de TSI waarden na aftrek van 1360 W/m2, zie: Excel data file; de regressie analyse heeft de volgende formule geproduceerd: Temperatuur(t) = 0,505xTSI(t) + 3,44xAOD(t) - 0,6345]

---

Figuur 4a toont het resultaat van de regressieanalyse. Uit figuur 4a blijkt dat vulkanisme in combinatie met een 30-jarige vertraging in het cumulatieve effect van de zon op basis van de TSI dataset van het IPCC het temperatuur verloop in de periode 1741-1900 grotendeels kan verklaren. Tevens blijkt dat het model zowel in de periode voorafgaand aan 1741 als de periode na 1900 de richting van de temperatuurontwikkeling volgt. T/m het jaar 1929 kan het temperatuur verloop geheel worden verklaard door de combinatie van de zon en vulkanisme. Pas vanaf 1981 toont de temperatuurontwikkeling aanhoudende opwarming bovenop de geleidelijke natuurlijke opwarming t.g.v. de combinatie van de zon en vulkanisme. Dit valt samen met de periode waarin het aan de seizoenen gerelateerde gat in de ozonlaag bij de zuidpool is ontstaan; dit fenomeen is manifest geworden vanaf 1979. De combinatie van zon en vulkanisme verklaart ruim de helft (50,5%) van de opwarming die vanaf 1815 tijdens het Dalton minimum is ontstaan. Bovendien blijkt hierbij dat de combinatie van de vertraagde zon in combinatie met een afname van vulkanisme vanaf de midden jaren '80 pas in de 21ste eeuw heeft gezorgd voor de hoogste bijdrage van natuurlijke invloeden aan de mondiale opwarming. Dit resulteert in een correlatie van 0,952 voor de periode vanaf 1740 waarbij 90,6% van de variantie in de temperatuur wordt verklaard op basis van dit verband.

T.o.v. figuur 4a toont figuur 4b het beeld nadat vanaf 1899 de mondiale temperatuur is vervangen voor de temperatuur van het zeewateroppervlak (in de dataset van de NASA toont het 5-jarige voortschrijdend gemiddelde van de temperatuur waarden voor land en zee slechts een gering verschil in de periode tussen 1900 en 1980; pas vanaf 1980 ontstaat er een geleidelijk oplopend verschil tussen beide). Het gewicht van de zon in combinatie met vulkanisme blijkt hierbij aanzienlijk gestegen want in dit perspectief wordt 62,8% van de temperatuurstijging door dit verband verklaard (+ de correlatie voor zowel de periode 1740-2009 als 1650-2009 stijgen hierbij naar 0,96). Het verloop van het verschil tussen beide curves in figuur 4b toont kenmerken die passen bij het verloop van CO2 (zie figuur 1 & 2) dan wel het totale antropogene signaal (zie figuur 2).

---

Figuur 4b: Hier is het mondiale temperatuur perspectief van figuur 4a vervangen door de temperatuur van het zeewater op basis van GISS temperatuur data voor het mondiale zeewateroppervlak (het 22-jarige voortschrijdend gemiddelde is hierbij berekend m.b.v. van onderliggende jaarwaarden voor het zeewateroppervlak vanaf het jaar 1899). 62,8% van de stijging van de temperatuur van het zeewateroppvervlak wordt verklaard door de combinatie van vulkanisme en de (vertraagde) impact van de zon. Het verloop van het verschil tussen beide curves toont een ontwikkeling die past bij het verloop van CO2 (zie figuur 1 & 2) dan wel het totale antropogene signaal (zie figuur 2).

---

Er bestaat geen consensus onder expert astronomen over de invloed van de zon op het klimaat

Figuur 1 heeft o.a. duidelijk gemaakt dat de verschillen tussen TSI datasets behoorlijk groot zijn. Net als de LISIRD TSI dataset zijn ook de moderne CHRONOS modellen gebaseerd op de in België vervaardigde moderne SILSO data voor zonnevlekken, welke buiten beschouwing wordt gehouden in het volgende klimaatrapport van het IPCC (AR6) dat in 2022 wordt verwacht. De CHRONOS modellen (zie figuur 5) maken duidelijk dat de invloed van de zon op het klimaat mogelijk ruim een orde van grootte hoger is dan binnen het huidige denkkader van het IPCC wordt verondersteld - van de TSI datasets in figuur 5 worden enkel de SATIRE & NRL in beschouwing genomen. Opvallend is hierbij dat CHRONOS variant MU16 (gebaseerd op het Koolstof-14 isotoop) een beeld toont waarbij de hoogste waarde pas halverwege het 2de decennium van de 21ste eeuw wordt bereikt, ongeveer 1 jaar voorafgaand aan het mondiale temperatuurrecordjaar 2016. Van belang is hierbij dat de impact van de CHRONOS modellen t.o.v. de meer conservatieve modellen voor de noordelijke hemisfeer gepaard gaat met een temperatuurverschil in de orde van 0,3°C tot 0,4°C [Yeo et al., 2020]. In tegenstelling tot de semi-empirische CHRONOS modellen wordt bij de empirische EMPIRE modellen naast de TSI ook gebruik gemaakt van SSI (Solar Spectrum Irradiance) [Yeo et al., 2017].

---

Figuur 5: zes datasets voor de totale zonnestraling. Voor de periode vanaf het Maunder minimum tot het 2008 minimum tonen alle CHRONOS modellen [Egorova et al., 2018] een aanzienlijk grotere toename van de TSI dan bij de SATIRE (SATIRE-T) en NRL (NRLSSI2) het geval is - dit betreffen de enige 2 modellen die worden gebruikt bij de voorbereidingen in aanloop naar IPCC AR6 (dit betreft het volgende klimaatrapport en zal in 2022 worden gepresenteerd).

---

Vanuit de astronomie wordt al sinds 2011 een apel gedaan gericht op klimaatmodelleurs om de onzekerheden rond de invloed van de zon op het klimaat door te rekenen in de klimaatmodellen. Indertijd werd deze onzekerheid in de orde van ~50% geschat [Shapiro et al., 2011]. Desondanks is in het meest recente uitgebreide klimaatrapport AR5 [IPCC, 2013] de impact van slechts 1 TSI model (SATIRE SandT) doorgerekend, zonder dat hierbij op enigerlei wijze rekening is gehouden met de genoemde onzekerheden. Daarnaast is het bestaan van de belangrijkste cyclus van de zon (22-jarige Hale cyclus) in de rapporten van het IPCC nooit benoemd en is tot op heden ook geen rekening met de invloed van faseverschillen tussen de activiteit van de zon en de ontwikkeling van de mondiale temperatuur. De klimaatmodellen in AR5 hebben dus geen rekening gehouden met de invloed van niet-lineaire verbanden tussen de zon en de temperatuur, noch met de versterkende factor [Dudok de Wit et al., 2016].

Het oceaan systeem (dat cycli toont met een lengte tot in de orde van ongeveer 2000 jaar) en gletsjers vormen natuurlijke buffersystemen binnen het klimaatsysteem; hiermee kan een vertraagde impact van de zon op de temperatuur tenminste deels worden verklaard. Dit biedt tevens een verklaring voor het feit dat rond de impact van de 11-jarige zonnevlekkencyclus op de temperatuur ook controverse bestaat omdat deze lastig is vast te stellen [van Mensvoort, 2020]. Het bestaan van faseverschillen in de orde van 20 jaar tussen de zon en gletsjers werd reeds in 2010 beschreven door een autoriteit op het terrein van zonnevlekken [Weiss, 2010]. Tevens werd recent door een Nederlandse groep astronomen voor het eerst gewezen op de mogelijkheid dat de omvang van het faseverschil mogelijk een variabiliteit kan tonen in de orde van 16 jaar [de Jager et al., 2020]. Ook heeft Abdussamatov in 2020 een publicatie gepresenteerd waarin wordt beschreven dat het oceaansysteem een temperatuur respons heeft van 30 ± 10 jaar [Abdussamatov, 2020] (bij dit laatste voorbeeld kan de kanttekening worden geplaatst dat Abdussamatov in de loop van de 2020s de omvang van het tijdspan in stappen heeft verruimd, wellicht omdat hij al sinds 2004 rekening hield met de mogelijkheid van het ontstaan van een 'nieuwe Kleine IJstijd' vergelijkbaar met de situatie tijdens het Maunder minimum [Abdussamatov, 2016] - echter, zonder de invloed van een forse toename van vulkanisme lijkt deze verwachting niet erg realistisch).

---

Figuur 6: Vier verschillende mathematische modellen die het ontstaan beschrijven van een vertraagde zonneforcering (RF) t.g.v. de relatief snelle toename van zonnestraling (roze curve) in de 1ste helft van de 20ste eeuw [Rypdal, 2012]. Deze modellen beschrijven een vertraagde impact van veranderingen in de TSI die verband houden met oceaan dynamieken (in termen van transfer van warmte tussen de verschillende oceaanlagen). De oranje curve toont een theoretisch 'schaal-vrije respons' (scale-free response) model [Rypdal & Rypdal, 2014]. De TSI die hierbij wordt gebruikt toont overeenkomsten met de CHRONOS modellen afgebeeld in figuur 5.

---

Andere onderzoekers spreken in termen van een vertraagde temperatuur respons (0,1 °C) in de 2de helft van de 20ste eeuw, welke is ontstaan door de relatief sterke toename in de totale zonnestraling in de 1ste helft van de 20ste eeuw [Dudok de Wit et al., 2016] - zie figuur 6. Dit impliceert het bestaan van een instabiel faseverschil tussen de zon en de temperatuur dat een lengte kan omvatten in de orde van een halve eeuw; dit fenomeen zit ook verwerkt in het rechter panel in figuur 7a dat een indicatieve temperatuur respons van de zon beschrijft voor de periode 1880-2010. De beschreven voorbeelden waarin faseverschillen een rol spelen kunnen in perspectief worden gezet van de optie waarbij de TSI zelf wordt gebruikt als model voor de stralingsforcering (RF) van de zon [Dudok de Wit et al., 2016].

Uit figuur 7a+b blijkt dat vooral de opwarming ongeveer vanaf 1965 niet is te verklaren door de combinatie van de zon en vulkanisme. Ofschoon hierbij tevens kan worden vastgesteld dat ook de langdurig neerwaartse temperatuurontwikkeling in de periodes tussen 1880-1910 en 1940-1965 niet door het model lijken te kunnen worden verklaard. In feite verklaart het model in figuur 7a+b dus niet het ontstaan van de oscillerende ontwikkeling van de temperatuur zoals beschreven in figuur 1. Overigens, in tegenstelling tot het model in figuur 7a+b suggereert het RF-model in AR5 [IPCC, 2013] zelfs dat de zon sinds 1750 geen rol van betekenis (~2%) zou hebben gespeeld bij de tussentijdse temperatuur fluctuaties t.g.v. klimaatverandering.

---

Figuur 7a: Radiatieve forcering in de periodes 1000-1979 en 1880-2010 voor: de zon, vulkanisme, antropogeen en het totaal - op basis van een schaal-vrij respons model [Rypdal & Rypdal, 2014]. Dit forcerings model is gebaseerd op de dataset van Hansen et al. (2011) waarin op basis van de TSI data van de Frölich & Lean - dit koppel staat bekend als de auteurs van de (controversiële) PMOD dataset voor het satelliettijdperk [Scafetta et al., 2019] - geen rekening wordt gehouden met de invloed van niet-lineaire effecten, noch met het bestaan van versterkende factoren, noch is het model in staat om de multidecennium oscillatie te reproduceren. Bovendien wordt in de dataset van Hansen doelgericht gewerkt met een hypothese m.b.t. de invloed van antropogene aerosolen (gericht op het neutraliseren van de exponentiële groei van antropogene broeikasgassen) terwijl hiervoor anno 2021 nagenoeg nog steeds geen empirische data beschikbaar is. Dit model wordt ook beschreven in Dudok de Wit et al. (2016). Voor de periode 1700-2010 vanaf het Maunder minimum wordt de forcering t.g.v. de zon in verband gebracht met een temperatuurstijging in de orde van 0,45 °C. Voor de periode 1750-2010 gaat het hierbij om ongeveer 0,35 °C, terwijl in het model van het IPCC de impact van de forcering t.g.v. de zon voor de periode 1750-2012 niet meer dan ongeveer ~2% van de totale antropogene RF bedraagt en tevens ~33x kleiner is dan de RF die wordt toegeschreven aan CO2 (zie figuur 2). De getoonde temperatuurgrafiek voor de periode 1000-1980 (welke een beeld toont waarbij de temperatuur vanaf het einde van het Spörer minimum in de 2de helft van de 16de eeuw aan een oscillerende opgaande beweging is begonnen) heeft betrekking op het noordelijke halfrond [Mohberg et al. (2005)].

Figuur 7b: De radiatieve forcering van de zon met de bijbehorende temperatuur respons voor zowel de periode 1000-1980 (links) als 1880-2010 (rechts). Op basis van een schaal-vrij respons model wordt voor de periode 1700-2010 t.g.v. de forcering van de zon een totale temperatuur respons van ongeveer 0,45 °C aangetroffen (0,35 °C voor de periode 1750-2010); hierbij is impliciet veronderstelt dat een versterkende factor voor het signaal van de zon ontbreekt in het klimaatsysteem [Rypdal & Rypdal, 2014]. Op basis van het 22-jarige voortschrijdend gemiddelde in figuur 1 kan worden gesteld dat de temperatuur tussen 1700 en 2010 in totaal met ongeveer 1,25 °C is gestegen (1,15 °C voor de periode 1750-2010). Elders zijn tevens modellen beschikbaar voor de radiatieve forcering op basis van de SSI [Wen et al., 2017].

---

Een ogenschijnlijke complicatie in figuur 7a+b vormt het welhaast ontbreken van de mondiale temperatuurstijging tussen het Maunder minimum (~1689) en het Dalton minimum (~1815), welke wel duidelijk zichtbaar is in het 22-jarig voortschrijdend gemiddelde van de temperatuur dataset van het 2 Degrees Instituut (zie figuur 1). Echter, beide datasets zijn gebaseerd op hetzelfde werk, namelijk: Mohberg et al. (2005). De temperatuurstijging tussen het Maunder minimum en het Dalton minimum in figuur 1 zit dus ook in de data die wordt getoond in figuur 7a+b.
Het belang hiervan is het volgende: omdat de periode rond het Dalton minimum bekend staat als de periode met het hoogste niveau van vulkanisme sinds het begin van het Spörer minimum (~1460) ligt het voor de hand dat de 0,12 °C mondiale temperatuurstijging tussen het Maunder minimum en het Dalton minimum voornamelijk is veroorzaakt door de zon (ondanks afkoeling t.g.v. het ongewoon hoge niveau van vulkanisme tijdens het Dalton minimum in combinatie met waarschijnlijk nog geen 0,02 °C stijging t.g.v. CO2). Want op basis van het RF model van het IPCC in figuur 2 kan CO2 een RF bijdrage hebben geleverd van ongeveer 0,125 W/m2, wat overeenkomt met een temperatuurstijging van ongeveer 0,05 °C. Dit betekent dat de radiatieve forcering van CO2 (lees: de klimaatgevoeligheid voor een verdubbeling van CO2) ongeveer 2x groter behoren te zijn dan het IPCC model in figuur 2 beschrijft om de temperatuurstijging tussen 1689 en 1815 te kunnen verklaren (maar hierbij is dan bovendien nog geen rekening gehouden met vulkanisme). Aangezien de lijn van deze eenvoudige benadering kan worden doorgetrokken naar het Moderne Minimum (~1912) lijkt dit een indicatie te zijn dat de impact van de vertraagde temperatuurrespons van de zon mogelijk geen complicatie oplevert bij het maken van vergelijkingen tussen Grand Solar Minimum periodes. De reden hiervoor zou logischerwijs kunnen zijn dat tijdens deze periodes de veranderingen in de RF t.g.v. de zon altijd relatief klein blijven.

Een andere complicatie vormt het statistische feit dat de zonneminima opvallend sterke correlaties tonen tussen de TSI en de temperatuur [van Mensvoort, 2020]. Bij de LISIRD dataset toont dit fenomeen opmerkelijke proporties op basis van de Hale cyclus minima: bijna de helft van de opwarming sinds 1689 tijdens het Maunder minimum kan op basis van de positieve Hale cyclus minima worden verklaard door de zon. Het lijkt daarom verstandig om rekening te houden met de mogelijkheid dat faseverschillen tussen zon en temperatuur ook kunnen ontstaan op basis van een dynamiek die specifiek samenhangt met spectrale verschillen t.a.v. hoe de atmosfeer de zonnestraling verwerkt. Van UV-straling is bijvoorbeeld bekend dat deze een relatief groot gewicht heeft bij de zonnemaxima (~60% ontstaat t.g.v. zonnestraling met een golflengte kleiner dan 400 nanometer), terwijl deze hoogfrequente straling vrijwel geheel in de stratosfeer wordt geabsorbeerd waardoor deze het aardoppervlak nagenoeg geheel niet kan bereiken. Dit fenomeen speelt tevens een rol bij het eerder genoemde temperatuur effect van 3 °C in de stratosfeer t.g.v. de 11-jarige zonnecyclus.

Nadat eerder werd aangetoond voor de LISIRD TSI dat de zonneminima op basis van de Hale cyclus bijzonder sterke correlaties tonen voor de activiteit van de zon met de temperatuur van zowel het oceaanwater als de atmosfeer, is hier aangetoond dat een effect met een vergelijkbare impact wordt aangetroffen bij de TSI dataset van het AR5 [IPCC, 2013] door rekening te houden met een 30-jarig faseverschil tussen enerzijds het signaal van de zon en anderzijds de temperatuur (+ vulkanisme). Recent heeft zich tevens overtuigend bewijs aangediend waaruit blijkt dat de zonneminima afgelopen decennia ook een rol lijken te spelen bij de ENSO cyclus; waarbij blijkt dat de sterkste El Nino en La Nina fasen zich hebben aangediend in de fase bij de overgang tussen het zonneminimum naar het zonnemaximum (Leamon et al., 2021).

Tot slot, dit artikel heeft duidelijk gemaakt waarom klimaatmodeleurs rekening dienen te houden met de mogelijkheid dat de zon n.a.v. het recente Grand Solar Maximum (dat zich in de 2de helft van de 20ste eeuw heeft aangediend) een vertraagde impact kan hebben die in potentie mogelijk een halve eeuw in beslag neemt. De dynamiek beschreven in figuur 4a is consistent met de dynamiek beschreven in figuur 7b op basis van het werk van Rypdal & Rypdal (2014); de totale temperatuur respons t.g.v. de zon in figuur 4a (~0,50 °C voor de periode 1750-2010) is wel wat groter t.o.v. figuur 7b (~0,35 deg;C voor de periode 1750-2010) omdat in het perspectief van figuur 4a niet de beperking is gebruikt in de vorm van de veronderstelling dat er geen sprake is van een versterkende factor voor het signaal van de zon binnen het klimaatsysteem (bij figuur 7b is dit door de betrokken onderzoekers wel verondersteld). De consequentie van figuur 4a is dat de antropogene invloed binnen het denkkader van het IPCC bij benadering met een factor 2 wordt overschat (of mogelijk een factor 3 op basis van de temperatuur van het zeewateroppervlak + eerdere analyses gebaseerd op de zonneminima). Dit impliceert tevens dat de geleidelijke stijging van de temperatuur die afgelopen eeuwen is ontstaan waarschijnlijk voor een aanzienlijk deel kan worden toegeschreven aan de combinatie van de (vertraagde) invloed van de zon in combinatie met vulkanisme; logischerwijs zal daarom binnen de RF modellen van het IPCC aan de invloed van CO2 en andere broeikassen te veel gewicht zijn toegedicht t.o.v. andere antropogene invloeden.

Download: Excel data file

---

REFERENTIES:

de Jager et al. (2020) Solar magnetic variability and climate (boek).

Dudok de Wit et al. (2016) Earth's climate response to a changing sun (boek).

Abdussamatov (2020) Energy Imbalance Between the Earth and Space Controls the Climate. Earth Sciences 9(4): 117-125. DOI: https://10.11648/j.earth.20200904.11

Egorova et al. (2018) Revised historical solar irradiance forcing. A&A Volume 615. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201731199

Haigh (2007) The Sun and the Earth's Climate. Living Rev. Sol. Phys., 46 (2), 26-29. DOI: https://doi.org/10.12942/lrsp-2007-2

Hansen et al. (2011) Earth's energy imbalance and implications. Atmos. Chem. Phys., 11, 13421-13449. DOI: https://doi.org/10.5194/acp-11-13421-2011

IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (rapport).

Kopp et al. (2016) The Impact of the Revised Sunspot Record on Solar Irradiance Reconstructions. Solar Physics volume 291, pages 2951-2965. DOI: https://doi.org/10.1007/s11207-016-0853-x

Kopp (2020): https://spot.colorado.edu/~koppg/TSI/TSI_Composite-SIST.txt

Kopp & Shapiro (2021) Irradiance Variations of the Sun and Sun-Like Stars - Overview of Topical Collection. Preprint article: https://arxiv.org/pdf/2102.06913.pdf

Leamon et al. (2021) Termination of Solar Cycles and Correlated Tropospheric Variability. Earth and Space Science., Volume8, Issue4. DOI: https://doi.org/10.1029/2020EA001223

Matthes et al. (2017) Solar forcing for CMIP6 (v3.2). Geosci. Model Dev., 10, 2247-2302. DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-10-2247-2017

Moberg et al. (2005) Highly variable Northern Hemisphere temperatures reconstructed from low- and high-resolution proxy data. Nature volume 433, pages 613-617. DOI: https://doi.org/10.1038/nature03265

Rypdal (2012) Global temperature response to radiative forcing: Solar cycle versus volcanic eruptions . Journal of Geophysical Research, vol. 117, D06115. DOI: http://dx.doi.org/10.1029/2011JD017283

Rypdal & Rypdal (2014) Long-Memory Effects in Linear Response Models of Earth's Temperature and Implications for Future Global Warming . Journal of Climate, vol. 27: issue 14. DOI: https://doi.org/10.1175/JCLI-D-13-00296.1

Scafetta et al. (2019) Modeling Quiet Solar Luminosity Variability from TSI Satellite Measurements and Proxy Models during 1980-2018. Remote Sens. 11(21), 2569. DOI: https://doi.org/10.3390/rs11212569

Shapiro et al. (2011) A new approach to the long-term reconstruction of the solar irradiance leads to large historical solar forcing . A&A volume 529. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201016173

Toohey & Sigl (2017) Volcanic stratospheric sulfur injections and aerosol optical depth from 500 BCE to 1900 CE . Earth Syst. Sci. Data, 9, 809-831. DOI: https://doi.org/10.5194/essd-9-809-2017

Yeo et al. (2017) EMPIRE: A robust empirical reconstruction of solar irradiance variability. J. Geophys. Res. Space Physics, 122, 3888-3914. DOI: https://doi.org/10.1002/2016JA023733

Yeo et al. (2020) The Dimmest State of the Sun. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL090243. DOI: https://doi.org/10.1029/2020GL090243

van Mensvoort (2020) 22-Year magnetic solar cycle [Hale cycle] responsible for significant underestimation of the Sun's role in global warming but ignored in climate science. Preprint article: https://www.essoar.org/doi/10.1002/essoar.10503979.4

Weiss (2010) Modulation of the sunspot cycle. Astronomy & Geophysics, Volume 51, Issue 3, Pages 3.9-3.15. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1468-4004.2010.51309.x

Wen et al. (2017) Climate responses to SATIRE and SIM-based spectral solar forcing in a 3D atmosphere-ocean coupled GCM. J. Space Weather Space Clim., 7 A11. DOI: https://doi.org/10.1051/swsc/2017009

White et al. (1997) Response of global upper ocean temperature to changing solar irradiance. Journal of Geophysical Research, vol. 102, no. C2, pages 3255-3266. PDF: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1029/96JC03549