|

Drieluik: zon & klimaat (1/3) | Deel 1 - Deel 2 - Deel 3

21 Januari 2021

Online seminar door zonnefysicus Dr. Greg Kopp: 'Zonnestraling & klimaat' (livestream: 20 mei 2020)

ABSTRACT

Hoewel de zon "meestal onschadelijk" is, hoeft deze niet veel te variëren om het klimaat op aarde te beïnvloeden. De totale zonnestraling (TSI = Total Solar Irradiance) - dit betreft het ruimtelijk en spectraal geïntegreerde stralingsvermogen van de zon op de gemiddelde afstand tussen de zon en de aarde - levert bijna alle energie die het klimaatsysteem van de aarde van energie voorziet, met een hoeveelheid die 3000x hoger is dan alle andere energiebronnen gecombineerd. Hoewel kleine variaties in de stralingsenergie van de zon dus gemakkelijk opwegen tegen andere klimaat factoren, is vanuit energetisch perspectief de zonnestraling gelukkig redelijk stabiel. Desalniettemin, mede omdat ze energetisch zo groot zijn, zijn zelfs kleine variaties in de TSI gecorreleerd met zowel mondiale als regionale klimaat kenmerken op aarde. Nieuwe spectrale zonnestraling (SSI = Spectral Solar Irradiance) metingen in de ruimte helpen de mechanismen onderscheiden waarmee deze invloeden klimaatforceringen veroorzaken, zoals bijvoorbeeld via veranderingen in de atmosferische circulatie modus die wordt aangedreven door ultraviolette SSI-variabiliteit.
In dit seminar zal ik de volgende vragen bespreken (en misschien zelfs wel kunnen beantwoorden): Hoeveel varieert de zonnestraling? Wat heeft deze historisch gedaan? Hoe draagt de variabiliteit van de zon bij aan klimaatverandering? En hoe meten we zonnestralen met de nauwkeurigheid en stabiliteit die nodig is voor klimaatstudies?

---

INTRODUCTIE van Dr. Greg Kopp (door Alisson Dal Lago, INPE Brazil):

'Onze gast vandaag is Dr. Greg Kopp van het Laboratory of Atmospheric and Space Physics, Universiteit van Colorado. Dr. Greg Kopp is senior onderzoekswetenschapper; hij heeft een achtergrond in astrofysica en ruimte instrumentatie. Dr. Kopp is de instrument wetenschapper voor de SORCE/TIM Total Irradiance Monitor. Hij heeft geholpen (i.s.m. Judith Lean) bij het vaststellen van de inmiddels geaccepteerde lagere TSI waarde van 1361 W/m2 (Kopp & Lean, 2011), welke representatief is voor het zonneminimum. Namens INPE wil ik Dr. Greg Kopp bedanken voor het accepteren van onze uitnodiging om dit seminar te presenteren gericht op dit zeer interessante en belangrijke onderwerp voor onderzoeksactvitieiten, namelijk: de zonnestraling.'

• Greg Kopp interview • Greg Kopp profiel • Greg Kopp's TSI pagina • Greg Kopp's LISIRD TSI dataset

---

Greg Kopp's presentatie:

In het eerste uur van het seminar beschrijft Kopp aan de hand van 59 sheets hoe de zon het klimaat beïnvloed; in de resterende 50 minuten van de video beantwoordt hij vragen van de deelnemers. Hieronder volgt een weergave van de eerst 22 sheets met een beknopte samenvatting van de beschrijving die Kopp presenteert.

---

- Pagina 1: Zonnestraling is gelukkig (vooral) constant -

---

- Pagina 2: Bijna alle energie die de aarde verwarmt komt van de zon -

De zon vormt met afstand de grootste energiebron die de aarde verwarmt. De bijdrage van de zon is ongeveer 3000x groter dan alle andere factoren tezamen; geothermische energie afkomstig van het binnenste deel van de aarde vormt de grootste factor van de overige factoren. Broeikasgassen vormen op zichzelf geen warmtebron; deze gassen regulieren enkel de dynamiek rond de binnenkomende warmte.

---

- Pagina 3: Je kan verwachten dat de zon het klimaat op aarde beïnvloed (+ waarom) -

Omdat de zon voor al onze energie zorgt verwachten we dat deze klimaatverandering veroorzaakt wanneer de activiteit van de zon fluctueert. En dit zien we ook gebeuren, maar deze klimaatveranderingen zijn niet enorm groot. De zon kunnen we voorstellen als een gorilla met een gewicht van 800 pond; gelukkig voor ons betreft het een hele rustige, kalme gorilla wiens gedrag relatief weinig verandering toont.

---

- Pagina 4: De energie van de zon -

De zon straalt per seconde genoeg energie uit om de aarde 1 miljoen jaar van energie te voorzien. De energie die de aarde verwarmt bedraagt 1361 W/m2 aan de top van de atmosfeer [de bolvorm van de aarde maakt dat het gemiddeld gaat om 341 W/m2]. De diameter van de zon is ongeveer 100x groter dan de diameter van de aarde en in de kern is de zon ongeveer 13x zwaarder dan lood, namelijk: 150 gram per cm3. De energie in de kern van de zon heeft ongeveer 100.000 tot 1 miljoen jaar om zich te verplaatsen naar het oppervlak van de zon; daarna duurt het slechts 8 minuten voordat de energie de zon de aarde bereikt.

---

- Pagina 5: Wat bepaalt het klimaat van de aarde? -

In de energiebalans van de aarde bedraagt de bijdrage van de zon in de vorm van de totale zonnestraling341.3 W/m2 [= 1361 W/m2 aan de top van de atmosfeer]; dit vormt de compleet dominante drijvende kracht van het klimaatsysteem op aarde. Bijna 1/3 deel van de TSI wordt gereflecteerd door wolken of ijs op het aardoppervlak; bijna de helft van de TSI bereikt het aardoppervlak en iets minder dan 1/4 deel van de TSI wordt geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde.

---

- Pagina 6: Waar belandt de energie van de zon? -

Een berekening op de achterkant van een envelop wijst uit dat de inkomende zonne energie van 1361 W/m2 in een situatie van balans zorgt voor een 'black body temperature' van 280 Kelvin [ofwel bijna 7 °C wanneer de aarde geen atmosfeer zou hebben] voor de gemiddelde temperatuur op aarde, wat niet veel afwijkt van de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak [deze bedraagt momenteel ongeveer 14.5 °C, mede dankzij de aanwezig van de atmosfeer].

---

- Pagina 7 (filmpje): het verloop van de totale zonnestraling in de loop der tijd -

Dit diagram toont het verloop van de TSI in de loop van de tijd over een periode van enkele weken waarbij zonnevlekken voor kleine fluctuaties zorgen in de waargenomen output van de zon.

---

- Pagina 8: Wat zijn de tijdschalen van de variabiliteit in totale zonnestraling? -

Met name voor het tijdsperspectief in de orde van eeuwen weten we niet hoe groot de fluctuaties in de TSI precies zijn; de fluctuaties liggen hierbij mogelijk in de orde van 0.05% tot 0.3%. Deze fluctuaties voor het perspectief van eeuwen hebben wel een directe impact op het klimaat; het fenomeen van het Maunder minimum [rond het einde van de 17de eeuw] en de zogenaamde Kleine IJstijd toont dit aan. Dit betekent dat de zonnegevoeligheid op het klimaat in het perspectief van de lange termijn veelal aanzienlijk hoger is t.o.v. de korte termijn perspectieven [bij de korte termijn perspectieven middelen de fluctuaties zich uit in de loop der tijd]. Van belang is hierbij vooral dat we moeten weten hoeveel de zon fluctueert om te weten in welke mate we controle hebben over klimaatverandering.

---

- Pagina 9: TSI dataset -

Dit is het overzicht van metingen in de ruimte die zijn geproduceerd voor de totale zonnestraling door ruim 15 verschillende satelliet-instrumenten van NASA, ESA, NOAA en enkele anderen over een periode van 40+ jaren. Verschillen tussen de diverse datasets zijn gerelateerd aan de kalibratie. Gelukkig is gedurende de laatste 42 jaar sprake geweest van continuïteit. Nadat de kalibratie verschillen zijn gecorrigeerd toont de TSI op het eerste gezicht een duidelijke correlatie met de dataset voor de zonnevlekken. Netto zorgen de bij zonnevlekken behorende zonnefakkels meestal voor een toename in de TSI t.g.v. zonnevlekken; echter, hele grote zonnevlekken kunnen gepaard met een afname in de totale zonnestraling.

---

- Pagina 10: Historische TSI reconstructies leunen op proxies -

We willen ook verder terug kunnen kijken in de tijd. We hebben een 40-jarige dataset op basis van satellietgegevens maar we willen de impact van de zon begrijpen op het klimaat. Het klimaat heeft betrekking op variaties over een periode van tenminste 30 jaar maar we willen weten wat de zon en het klimaat heeft gedaan in het perspectief van een nog langere tijdschaal. In plaats van wachten op wat de toekomst in petto heeft kunnen we de waarnemingen die betrekking hebben op zonnevlekken extrapoleren; diverse onderzoekers hebben verschillende modellen geproduceerd voor de activiteit van de zon die mogelijk lange termijn veranderingen hebben veroorzaakt in de totale zonnestraling. M.b.v. proxy datasets op basis van isotopen kunnen we nog verder terug kijken in de tijd dan de periode waarvoor zonnevlekken data beschikbaar zijn - vanaf het begin van de 17de eeuw. Natuurlijk is de meer recente data beter en meer compleet maar de proxy datasets geven ons wel een indicatie voor de variabiliteit van de zon gedurende de afgelopen 10.000 jaar.

---

- Pagina 11: Zonnevlekken zijn gerelateerd aan klimaat -

Er zijn ook verbanden tussen zonnevlekken en het klimaat op aarde. Lang geleden werden allerlei verklaringen geponeerd voor zonnevlekken, o.a. door Galileo Galilei, Christopher Scheiner, René Decartes & William Herschel. Herschel [1801] beschreef o.a. een correlatie tussen de prijs van tarwe en het aantal zonnevlekken, waarbij een reductie in regen werd geassocieerd met periodes waarin de zon relatief weinig zonnevlekken toonde; dit was de eerste publicatie waarin een verband werd beschreven tussen het klimaat op aarde en de activiteit van de zon.

---

- Pagina 12 -

Meer recent beschreef Jack Eddy in een publicatie uit 1976 een correlatie tussen de zon en het klimaat op aarde in relatie tot de periode aan het einde van de 17de eeuw. Tijdens het Maunder minimum werden toendertijd nauwelijks zonnevlekken waargenomen bij de zon over een periode van maar liefst 70 jaar; men probeerde wel zonnevlekken waar te nemen maar ze waren er in die periode niet of nauwelijks. In dezelfde periode diende zich in Europa de Kleine IJstijd aan. Eddy beschreef voor het eerst dat beide fenomenen nauw met elkaar correleren: de zon toonde een afname in haar output en de temperatuur was een beetje lager dan meer recent het geval is geweest. Eddy gaat in zijn beschrijving nog een stap verder door een correlatie te beschrijven voor schattingen op basis van proxies voor de activiteit van de zon en schattingen voor de impact van het winterseizoen. Dit gaat echter wel vooral over de periode voordat antropogene factoren een rol gingen spelen.

---

- Pagina 13: Diverse factoren veroorzaken klimaatverandering -

Natuurlijke factoren waren voorheen dominant; met name variabiliteit van de zon & vulkanische erupties waren van belang. Interne oscillaties spelen ook een rol - hierbij draait het om koppelingen tussen het oceaan systeem en de atmosfeer; El Nino vormt hierbij een populair fenomeen. Daarnaast spelen ook antropogene factoren een rol. Het gebruik van land vormt hierbij een factor en antropogene forceringen zoals het gebruik van broeikasgassen en aerosolen in de troposfeer [= de onderste laag van de atmosfeer]. Om goed de kunnen begrijpen hoe alle effecten bijdragen aan klimaatverandering is het van belang om deze factoren allemaal te begrijpen en te meten. Mijn aandacht is vooral gericht op het meten van de variabiliteit van de zon en de energie die de zon ons levert.

---

- Pagina 14: Componenten bij mondiale temperatuur veranderingen -

Wanneer we 4 van de eerder genoemde factoren gebruiken - ENSO, vulkanisme, TSI & antropogene forceringen - dan kunnen deze via een regressie de temperatuur grafiek bij benadering reproduceren. Volgens dit model zijn natuurlijke factoren verantwoordelijk voor minder dan 15% van de opwarming sinds 1890 [de getoonde grafieken zijn gebaseerd op het werk van Judith Lean waarbij o.a. de PMOD TSI dataset wordt gebruikt; deze wordt door het IPCC ook in AR5 2013 gebruikt].

LET OP: In de bovenste grafiek toont de bruine curve in de periode 1890-1980 een oscillerende beweging die in de gele grafiek ontbreekt; de correlatie is weliswaar hoog tussen beiden voor de gehele periode, maar het ontbreken van de oscillatie in de gele grafiek vormt in potentie een aanwijzing voor de mogelijkheid dat de proporties van de gewichten in het model van de gele grafiek significant onjuist zouden kunnen blijken te zijn omdat de relatie tussen de zonnecyclus en de temperatuur onvoldoende wordt begrepen.

---

- Pagina 15: Regionale jaarlijkse responspatronen -

Regionaal worden ook verschillen aangetroffen. El Nino zorgt vooral voor opwarming in de Grote Oceaan bij de tropen [= bij de evenaar]. De 11-jarige zonnecyclus zorgt vooral voor opwarming in Europa. Dit perspectief kan worden gebruikt om regionale effecten te bestuderen van individuele factoren die een rol spelen bij klimaatverandering.

---

- Pagina 16: Twee zonneforcering mechanismen -

De zonneforceringsmechanismen hangen samen met de spectrale straling. In totaal veroorzaakt de 11-jarige cyclus van de zon een opwarming die mondiaal bezien iets kleiner is dan 0,1°C maar regionaal kunnen de veranderingen veel groter zijn, wat wijst in de richting van dat er een versterkende factor dan wel feedback mechanismen werkzaam moet(en) zijn. Deze feedback mechanismen kunnen de impact van forceringen regionaal versterken en soms zelfs ook mondiaal. Hierbij kan aan de basis onderscheid worden gemaakt tussen 2 mechanismen: (1) een 'bottom-up' mechanisme dat betrekking heeft op het infrarood deel van het spectrum en (2) een 'top-down' mechanisme dat betrekking heeft op het UV deel van het spectrum. Deze twee mechanismen kunnen ook een cumulatief effect veroorzaken, ondanks dat beide mechanismen ontstaan vanuit verschillende locaties.

---

- Pagina 17a & 17b: Klimaat respons t.g.v. radiatieve forcering -

Binnen het perspectief van klimaatmodellen wordt gezocht naar een forceringsfactor; volgens de beschrijvingen van het IPCC kan de waarde binnen een bandbreedte van 0.2-1.0 °C per W/m2 worden verwacht. Voor de afgelopen 40 jaar wordt voor de antropogene factor in totaal een waarde beschreven van ongeveer 0,4 °C per W/m2; m.b.t. de zon wordt voor de 11-jarige zonnecyclus een waarde van ongeveer 0,67 °C per W/m2 beschreven - echter het empirische bewijs suggereert dat de dynamiek zeer complex is en er wordt hierbij aangenomen dat de impact met een factor 5 verzwakt wordt; echter, mogelijk werkt het mechanisme anders (= dynamisch i.p.v. thermodynamisch) dan de huidige theorie beschrijft.

---

- Pagina 18: Atmosferische absorptie van zonnestraling -

De effecten zijn spectraal van aard; dit geldt met name voor het 'top-down' mechanisme. Ultraviolet veranderingen hebben vooral impact op de stratosfeer [= het hogere deel van de atmosfeer] terwijl lange golflengtes veel meer worden geabsorbeerd in de troposfeer [= het lagere deel van de atmosfeer]. Omdat fotochemische effecten de circulatiepatronen kunnen beïnvloeden is het belangrijk dat we niet alleen naar de totale zonnestraling kijken want de spectrale delen van de zonnestraling zijn ook van belang.

---

- Pagina 19: Historische klimaat datasets zijn ook op proxies gebaseerd -

We hebben prachtige lokale instrumentale temperatuur datasets die tot wel 500 jaar terug gaan in de tijd; deze hebben vooral betrekking op Europa waar toendertijd de meeste mensen leefden. Daarom zijn we afhankelijk van 4 categorieën proxies voor een goede indicator voor het mondiale klimaat.

---

- Pagina 20: Temperaturen op basis van paleo-klimatologie -

Deze sheet beschrijft de temperatuurontwikkeling van de planeet aarde gedurende de afgelopen 500 miljoen jaar. Wij leven in het Holoceen van de afgelopen 10.000 jaar welke aan de rechterzijde van de plot is afgebeeld; daarvoor zien we de ijstijden cyclus welke gepaard met periodes van mondiale afkoeling. Ongeveer 10 miljoen jaar geleden ontstond de gletsjers op Antarctica. Kortom, we hebben een indicatie van hoe de mondiale temperatuur zich in het verleden heeft ontwikkeld.

LET OP: We kunnen in deze plot zien dat de huidige mondiale temperatuur weliswaar aan de hoge kant zit van de variatie tijdens het huidige Holoceen [= afgelopen 10.000 jaar]; echter, een vergelijking met eerdere interglaciale periodes toont aan dat de huidige temperatuur zich duidelijk binnen de normale bandbreedte bevindt in de IJstijden cyclus van de afgelopen 500.000 jaar.

---

- Pagina 21: De Milankovitch cycli veroorzaken directe radiatieve forceringen -

Een factor die directe invloed kan hebben op het klimaat via radiatieve forcering vormt veranderingen in de orbitale parameters van de aarde die rond de zon beweegt. De veranderingen in de precessie (cycli van 19-24.000 jaar), excentriciteit (cycli van 100.000 en 413.000 jaar) en obliquiteit (cycli van 41.0000 jaar) staan tezamen bekend als de Milankovitch parameters.

---

- Pagina 22: De 'sneeuwbal aarde cyclus'-

Het volgende heeft betrekking op een extreme vorm van feedback mechanismen. Wij leven gelukkig in een tijd waarin de aarde in een vorm van balans is waarbij sprake is van het bestaan van ijskappen bij de beide polen (weergegeven onderaan in de figuur). Echter, wanneer we de aarde een klein beetje laten afkoelen dan breiden de ijskappen op de polen zich uit met als gevolg een toename van Albedo [= de hoeveelheid zonnestraling die direct wordt terug gereflecteerd in de ruimte]. Hierbij kan een positief feedback mechanisme ontstaan dat zou kunnen leiden tot een 'runaway' klimaat-scenario. Een Russische natuurkundige heeft beschreven dat een dergelijk scenario zich zou kunnen aandienen bij een kernoorlog waarbij genoeg sulfaten en stof in de atmosfeer belanden om de aarde voor de helft door ijs te doen bedekken. Dan kunnen we dat proces waarschijnlijk niet meer stoppen omdat het ijs dan dusdanig veel zonlicht zou weerkaatsen dat het ijs zich in een rap tempo over het gehele aardoppervlak zal kunnen uitbreiden. Dit is in de verre geschiedenis van de waarschijnlijk al meerdere keren gebeurd maar andere mechanismen zorgen er dan voor dat de aarde uiteindelijk toch weer zal opwarmen - t.g.v. bijvoorbeeld vulkaanuitbarstingen die zich in de loop der tijd door het ijs weten te boren waarbij CO2 wordt uitgestoten, welke op basis van het broeikaseffect voor enige verdere verwarming zal zorgen. Hierbij sprake is van een geïnverteerd feedback effect: de oceanen smelten waarbij enorme hoeveelheden CO2 vrijkomen en 'kaboem' de aarde zal dan versneld opwarmen met als gevolg dat er meer zonlicht wordt geabsorbeerd en ook de rest van het ijs zal smelten. Zo kan een instabiel feedback systeem ontstaan. Dit voorbeeld beschrijft hoe feedback systemen voor een versterking kunnen zorgen van ieder effect, inclusief bijvoorbeeld veranderingen in het zonlicht.

---

Bovenstaande betreft ruim de helft van het seminar dat afgelopen zomer door Kopp is gepresenteerd. In het 2de half uur gaat hij eerst nog een stap verder terug in de tijd door de 'zwakke, jonge zon paradox' (pagina 23) te bespreken om vervolgens in te gaan op de ontwikkelingen in de satelliet datasets + de apparatuur waarmee deze zijn gemeten (pagina 24-59). Hierbij maakt Kopp onderscheid tussen wetenschap op basis van 'social physics' (waarbij correcties worden toegepast enkel om aan de vermeende consensus te voldoen) en 'real physics'; vervolgens maakt Kopp het volgende appel op pagina 37:

"Greg's Rule #1:
Consistency is comforting;
but agreement is not accuracy."

Tenslotte, op 18 december 2013 presenteerde Dr. Greg Kopp eerder voor het oog van vakgenoten het colloquium 'Solar Irradiances - Continued with a New Mission' waarin hij o.a. een beschrijving geeft waaruit blijkt dat TSI datasets vooral vanaf eind jaren '70 grote verschillen tonen in de mate waarin de zon de temperatuurontwikkeling kan verklaren.

Onderstaande grafiek betreft Greg Kopp's dataset voor de totale zonnestraling (TSI).

Drieluik: zon & klimaat (1/3) | Deel 1 - Deel 2 - Deel 3

---