Klimaatmodellen

Klimaatmodellen
Projecties van een toekomstig klimaat
Aan de hand van klimaatmodellen kunnen we klimaatveranderingen in het verleden verklaren en een
projectie maken van klimaatveranderingen in de toekomst, met een bruikbaar niveau van
betrouwbaarheid. Zo is er op dit moment voor meer dan 90% zekerheid dat de door de mens
uitgestoten broeikasgassen het merendeel van de globale opwarming sinds 1950 hebben
veroorzaakt. Het is ook zeer waarschijnlijk dat deze opwarming zich zal verder zetten. Hoeveel is nog
onzeker. Dit hangt onder andere af van de uitstoot van broeikasgassen (=input voor het model) en
van de klimaatgevoeligheid (de uiteindelijke temperatuursverandering tengevolge van een
verandering in de stralingsforcering).
In de afgelopen 20 jaar zijn er belangrijke vorderingen gemaakt in de ontwikkeling en het gebruik van
klimaatmodellen, dit dankzij de vooruitgang in de kracht van computers en de toenemende
beschikbaarheid van weerkundige gegevens om het model te verifiëren.
Wiskundige vergelijkingen
Oceanen, atmosfeer, land, zee-ijs en zelfs planten en dieren spelen allemaal een rol in het tot stand
komen van het klimaat op Aarde. Ze maken deel uit van een complex systeem en staan met elkaar in
wisselwerking. Reeds tientallen jaren worden deze interacties waargenomen en gemeten.
Vaak kan men een interactie tussen twee componenten van het klimaatsysteem via een wiskundige
vergelijking beschrijven. Zo kan je bijvoorbeeld de relatie tussen windsnelheid en verdamping boven
de oceaan beschrijven met een wiskundige vergelijking, of de relatie tussen luchttemperatuur en
vorming van zee-ijs. Modellen zijn vereenvoudigde voorstellingen van de werkelijkheid, waarmee de
werkelijke wereld voorgesteld wordt op kleinere schaal en door middel van wiskundige
vergelijkingen. Door de schaal of de complexiteit van een systeem te verkleinen krijgen we
gemakkelijker vat op de processen die er in plaatsvinden. Modellen zorgen voor een raamwerk
waarin we veronderstellingen over een systeem kunnen testen en waarin we kunnen nagaan wat het
relatief belang is van de verschillende deelprocessen. Modellen helpen ons ook het toekomstige
gedrag te voorspellen van een systeem tengevolge van verstoringen.
Wetenschappers zijn al jaren bezig met het opstellen en verfijnen van honderden vergelijkingen, die
de relaties tussen de verschillende onderdelen van het klimaatsysteem beschrijven. Met behulp van
supersnelle computers kan men deze vergelijkingen laten berekenen via complexe
computerprogramma’s die men klimaatmodellen noemt. Op die manier kan men projecties maken
van hoe het klimaat er over tientallen of honderden jaren zal uitzien.
Onze kennis over de exacte werking van vele processen in het klimaatsysteem is nog steeds beperkt.
Bovendien zijn er vele processen die zich afspelen op een schaal die te klein is opdat de bestaande
computers ze zouden kunnen simuleren. Daarom kan men niet exact voorspellen hoe het klimaat er
zal uitzien in de toekomst, het is een schatting van wat men kan verwachten.
Globale circulatiemodellen
Een globaal circulatiemodel is een voorstelling van het drie-dimensionele klimaatsysteem. Er zijn 2
belangrijke onderdelen in een globaal circulatiemodel; een dynamische kern en een fysische kern.
De dynamische kern
Men kan de toestand van een droge atmosfeer gaan uitdrukken via 6 bewegingsvergelijkingen;
hierbij gaat men uit van een aantal fundamentele fysische wetten:
-het behoud van massa (continuïteitsvergelijking)
De wet van behoud van massa zegt dat de massa van een gesloten systeem constant zal blijven,
ongeacht de processen die binnen het systeem plaatsvinden. Met andere woorden, materie kan van
vorm veranderen, maar kan niet worden gemaakt en evenmin vernietigd.
-het behoud van energie
De wet van behoud van energie, of de eerste wet van de thermodynamica, stelt dat energie niet
verloren kan gaan of uit het niets kan ontstaan. Er kunnen alleen omzettingen van energie
plaatsvinden.
-het behoud van impulsmoment
De wet van behoud van impulsmoment stelt dat als een voorwerp eenmaal in een bepaald tempo
aan het draaien is, het de neiging heeft om die draaiing vol te houden. Er is dus een kracht - of liever
gezegd een moment - nodig om dat te veranderen.
-de ideale gaswet: druk maal volume gedeeld door temperatuur is een constante.
Rekening houdend ook met krachten die op luchtdeeltjes inwerken (gravitatie, drukgradiëntkracht,
corioliskracht en centrifugaalkracht, komt men aan de 6 vergelijkingen;
3 voor wind (zonaal, meridionaal en loodrecht op het oppervlak), 1 voor temperatuur, 1 voor
dichtheid en 1 voor druk.
Om de voorspelling te beginnen hebben we ook een begintoestand nodig. Die moet zo correct
mogelijk bepaald worden.
De fysische kern
De klassieke bewegingsvergelijkingen behandelen geen effecten zoals neerslag, wolken, straling.
Bovendien worden gebeurtenissen die zich afspelen op een kleine schaal niet in rekening gebracht.
Naast vergelijkingen maakt men ook gebruik van parametrisatie, formules gebaseerd op
waarnemingen.
De fysische kern behandelt alle processen die niet door de bewegingsvergelijkingen behandeld
worden: convectie, straling, microfysische processen (vorming van neerslag), wolkenvorming,
interactie met het oppervlak (vegetatie, reliëf) en turbulentie.
Stralingsberekeningen bepalen de energiebalans van de Aarde door te kijken naar de reflectie en
absorptie van zonnestralen aan het aardoppervlak en in de atmosfeer en naar de warmte-energie die
naar de atmosfeer teruggestuurd wordt. De stralingsberekeningen in een globaal klimaatmodel
moeten rekening houden met de dikte en verdeling van de wolken (zowel horizontaal als verticaal),
de oppervlakte omstandigheden (land ten opzichte van oceaan, topografie, type vegetatie, sneeuw
en ijsbedekking) en de significante broeikasgassen en aerosolen.
Hoe stellen GCM’s de aarde voor?
Hoewel de basisvergelijkingen in een globaal klimaatmodel fundamentele natuurwetten zijn, die
vermoedelijk wel toepasbaar zijn op alle planeten, bevatten ze een aantal constanten die specifiek
van toepassing zijn voor de Aarde. Dergelijke constanten, zoals de straal van de aarde, de
zwaartekracht, de massa van de atmosfeer, en de gasconstante, moeten allemaal goed bepaald
worden, opdat ons model representatief zou zijn voor het klimaat op Aarde. Daarnaast moet er nog
aan een aantal voorwaarden voldaan zijn;
-Randvoorwaarden
Ieder experiment moet van bij het begin een aantal vaste condities vooropstellen, die een invloed
hebben op het klimaat, maar die niet veranderd worden door de berekeningen van het
klimaatmodel. Die vaste condities noemen we de randvoorwaarden.
De belangrijkste zijn de beschrijvingen van de verdeling land-oceaan en de topografie. Wat
vervolgens ook gespecificeerd wordt, is de bedekking van het landoppervlak (locatie en hoogte van
de continentale ijsbedekkingen, seizoenale verdeling van vegetatie, locatie en grootte van meren).
Voor bepaalde experimenten, voornamelijk deze waarbij men het klimaat uit het verleden probeert
te reproduceren, kan men ook de jaarlijkse cyclus van de temperatuur van het zee-oppervlaktewater
en van het zee-ijs als randvoorwaarde vastleggen.
Maar, aangezien alles wat als randvoorwaarden aanzien wordt niet mag veranderen door het model,
zullen deze randvoorwaarden de impact van andere veranderingen limiteren in het gesimuleerde
klimaatsysteem.
-Begincondities
Bij het begin van een experiment worden een aantal begincondities vastgelegd. Zoals de naam het
zegt, beschrijven begincondities de begintoestand van het model. Vertaald naar de toestand van de
atmosfeer betekent dit de begintemperatuur, druk, wind en vochtigheid voor elke plaats in de
atmosfeer. Kleine onnauwkeurigheden in de initiële condities kunnen leiden tot afwijkende
resultaten naarmate het experiment vordert. Daarom worden belangrijke experimenten meestal
verscheidene keren uitgevoerd, met kleine verschillen tussen de initiële condities als enige verschil in
de simulatie. Men krijgt dan een ensemble van resultaten met een bepaalde foutenmarge.
-Forceringsfactoren
Eens men de initiële condities en de randvoorwaarden heeft vastgelegd, zijn er ook nog een aantal
forceringsfactoren, die een meer ingrijpende impact hebben op het resultaat.
Algemeen vormen één of meer van deze factoren de focus van een experiment. Best bekende
voorbeelden zijn de experimenten over de effecten van broeikasgassen, die een toename van de
temperatuur tijdens de twintigste eeuw beschrijven, en de globale opwarming in de toekomst
voorspellen. Net zoals de randvoorwaarden, worden deze forceringsfactoren gespecifieerd in een
experiment, maar veranderen ze met de tijd gedurende de loop van de simulatie. Zo kan men het
effect van een verandering op het klimaat gaan onderzoeken. Zo kan men experimenten uitvoeren
waarbij het niveau van broeikasgassen zoals koolstofdioxide, methaan, CFK’s en NO’s toeneemt.
Andere voorbeelden van forceringen die regelmatig een invloed hebben op het klimaat van de Aarde
zijn stof en zwavelzuur die tijdens grote vulkaanuitbarstingen in de atmosfeer terecht komen. Of
aerosolen die door de mens geproduceerd worden, of veranderingen in de zonnestraling die gepaard
gaan met de zonnevlekkencyclus. Al deze forceringen zijn het onderwerp geweest van klimaatmodel
experimenten, en hebben geholpen om beter te begrijpen hoe ons klimaatsysteem reageert op
verandering.
-Terugkoppelingsystemen
In het klimaatsysteem zijn er heel wat terugkoppelingsystemen, die ervoor zorgen dat het
oorspronkelijke effect van een forceringsfactor ofwel versterkt ofwel gedempt wordt. De drie
belangrijkste terugkoppelingsystemen zijn: waterdamp, wolken en ijs.
Door de toename van het aantal broeikasgassen in de atmosfeer, wordt er meer warmtestraling
geabsorbeerd en warmt de atmosfeer op. Dit effect op zich is niet zo dramatisch, maar er zijn 2
positieve terugkoppelingsystemen die dit initiële effect versterken:
Door de opwarming van de atmosfeer wordt er meer water vanaf het oceaanoppervlak
verdampt. Dit leidt tot een toename van de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer, voornamelijk in
de tropen. De waterdamp is zelf ook een krachtig broeikasgas, die de atmosfeer verder zal
opwarmen, waardoor nog meer water verdampt, en zo wordt een positieve terugkoppeling gemaakt.
Door de opwarming van de atmosfeer zal zee-ijs smelten en zal er minder neerslag onder
vorm van sneeuw vallen. Dit veroorzaakt een kleiner oppervlak bedekt met ijs en sneeuw en dus een
vermindering van het albedo van het oppervlak, waardoor een groter aandeel van de
binnenkomende zonnestralen geabsorbeerd wordt, in plaats van gereflecteerd terug de ruimte in. Dit
leidt tot een verdere opwarming van de Aarde, en een tweede positieve terugkoppeling.
Het wolken-terugkoppelingsysteem is veel meer complex; zo complex zelfs dat niet alle
klimaatmodellen het eens zijn of het nu een positieve of een negatieve terugkoppeling is. We weten
dat lage wolken meer zonlicht reflecteren terwijl hoge wolken warmte absorberen. Een aantal
modellen toont aan dat bij een toename aan broeikasgassen en een opwarming van de aarde, het
aantal lage wolken afneemt, aangezien de waterdamp minder snel condenseert in een warmere
atmosfeer. Dit is dus een positieve terugkoppeling. Anderzijds als het aantal hoge wolken ook
afneemt, is er een negatief terugkoppelingsysteem, dat kan zorgen voor een aanpassing in de lage
wolken. Er is nog onzekerheid en variatie in de resultaten van modellen.
-Klimaatgevoeligheid
De klimaatgevoeligheid ten opzichte van een forceringsfactor wordt uitgedrukt in termen van de
globale gemiddelde temperatuursverandering die men kan verwachten nadat een evenwicht is
bereikt in de atmosfeer en in de oceaan tengevolge van een verandering in die factor.
Zo verwacht men bijvoorbeeld dat de klimaatsgevoeligheid ten opzichte van een verdubbeling van de
CO2 concentratie ligt tussen 2 en 4°C, gebaseerd op verscheidene klimaatmodelvoorspellingen.