In een onlangs gepubliceerd artikel geven Li et al. te kennen dat zij flinke tekortkomingen bij de alom aanvaarde (want: “harde natuurkunde”) Clausius−Clapeyron vergelijkingen bij klimaat-voorspellingen hebben gevonden.
Dit klinkt tamelijk onschuldig, maar de Clausius−Clapeyron-vergelijking ligt natuurlijk wel aan de wortel van de zgn. ‘positieve feedback-theorie’, die stelt dat het dan misschien niet de toegenomen hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer op zichzelf zijn die zorgen voor klimaatverandering, maar dat terugkoppelingen met onder meer het waterdamp-gehalte (meer wolken, meer regen, meer verdamping, etc.) hiervoor wél zal zorgen.
Hoewel Rudolf Clausius en Benoît Clapeyron niet de ontdekkers waren van het naar hen vernoemde effect (dat was Carnot al in 1824) kon aan de hand van de vergelijkingen van het genoemde tweetal worden aangetoond dat de atmosfeer ongeveer 7% meer waterdamp kan vasthouden wanneer de temperatuur 1 graad Celsius gaat stijgen.
Omdat waterdamp dus ook een broeikasgas is, was de weg naar de terugkoppeling-theorie, waarbij kooldioxide zorgt voor een eerste aanzet en waterdamp vervolgens zorgt voor een verdere opwarming, al snel gevonden.
En in de afgelopen jaren kon men het ook zien. Duidelijk meer neerslag als gevolg van de opgewarmde atmosfeer. Alleen in Nederland is de jaarlijkse neerslag al toegenomen met 26% in de periode 1910 -2022 (ze link). Hoe duidelijk wil je het hebben?
Wat hebben Li en zijn onderzoeksteam dan wel ontdekt? Op Climate etc. geven de twee medeauteurs van het onderzoek, Bruce Peachey en Nobuo Maeda, een aardige samenvatting, hierin valt te lezen:
“We ontdekten dat:
- kwalitatief gezien de Clausius-Clapeyron-vergelijking een significant niveau van consistentie vertoont wanneer het gemiddelde wordt genomen over uitgestrekte gebieden zoals specifieke breedtegraadzones over de hele wereld;
- deze consistentie strekt zich niet uit tot individuele locaties, waar een aanzienlijke waterdamp-onderverzadiging kan worden aangetoond, die varieert met de tijd;
- kwantitatief gezien zijn de discrepanties tussen de lokaal waargenomen en de verwachte waarden groot; en
- de absolute hoeveelheid waterdamp tussen 1960 en 2020 aanzienlijk is toegenomen boven de bevolkingscentra en de landbouwgebieden op het noordelijk halfrond, maar niet op het zuidelijk halfrond, waar de oppervlakte van de oceanen veel groter is.
Deze bevindingen suggereren dat directe antropogene emissie van waterdamp een belangrijke factor is die het lokale waterdampgehalte beïnvloedt.”
Waarom was dat zo vreemd?
De boodschap van Li et al. zal voor de vaste lezers misschien niet als een verrassing zijn binnen gekomen. Eschenbach liet het in zijn blog op WUWT al zien (zie ook mijn samenvatting van 10 juni jl.). Maar het is natuurlijk wel goed om eens na te lezen waar de auteurs dan menen waardoor dit alles wordt veroorzaakt.
De water cyclus
Het zal geen verassing zijn dat meer water verdampt boven een wateroppervlak dan boven land. Berekend is dat de waterdampflux boven de oceanen zes keer groter is dan de waterdampflux op het land, ook al is het mondiale wateroppervlak slechts ongeveer drie keer groter dan het landoppervlak. Dit komt omdat: (1) het oceaanoppervlak donkerder is en dus meer zonne-energie absorbeert en (2) het oceaanoppervlak altijd nat is, wat de massaoverdracht verbetert in vergelijking met het landoppervlak, dat soms nat en soms droog is.
De schattingen omtrent de hoeveelheid water die omgaat in de ‘water-cyclus’ variëren enigszins, maar de in het onderzoek van Li et al. is het onderstaande schema opgenomen (uitgedrukt in teraton/jaar)
Wat is nu het probleem? Algemeen wordt aangenomen dat kooldioxide zich heel gelijkmatig verspreidt over de atmosfeer. Dat is ook de reden daarvoor dat we de veranderingen van kooldioxide in de atmosfeer meten op Mauna Loa, een vulkaan op afgelegen eiland in de Noordelijke Stille Ocean.
Wanneer kooldioxide verantwoordelijk zou zijn voor een opwarmingseffect, dan zou het voor de hand liggen om te denken dat een toename van waterdamp, die daardoor wordt veroorzaakt, met name daar te vinden zou zijn waar het meeste water aanwezig is, d.w.z. het zuidelijk halfrond.
Wanneer de wereld in elkaar zou zitten als voorspeld door de klimaatmodellen, met een dominante rol voor kooldioxide en een passief reagerende hoeveelheid waterdamp, volgens de regels van Clausius-Clapeyron, dan ziet de neerslag verdeling in de wereld er (mooi in beeld gebracht door Eschenbach) er dus ongeveer zo uit:
Maar goed, dat klopt dus niet helemaal met de ‘echte wereld’.
Wie vertelde ooit dat je geen ‘echte wetenschap’ kon bedrijven op klimatologische schaal? Er is een hypothese, die kan worden getoetst en hieruit bleek dat de hypothese niet klopte. Er moet dus iets anders aan de hand zijn.
De toename van neerslag is juist te vinden op het Noordelijk halfrond. En dan is er een lastige vraag te beantwoorden: hoe kan een toename van 5% van de neerslag in landgebieden op het noordelijk halfrond worden gerealiseerd, zoals is gerapporteerd in de IPCC-rapporten, maar niet in landgebieden op het zuidelijk halfrond?
Li et al. concluderen in ieder geval al voorzichtig dat: “Betwijfeld mag worden of het gebruik van de Clausius-Clapeyron-vergelijking als basis voor het berekenen van de positieve waterdampfeedback wel op juiste gronden gebeurt. Omdat de discrepanties tussen de waargenomen en de te verwachte waarden [op basis van de C-L vergelijking] groot waren, blijft het onduidelijk of de hoeveelheid atmosferische waterdamp werkelijk met maar liefst 6 tot 7% zal toenemen als reactie op elke 1 °C opwarming, zoals algemeen wordt aangenomen.”
Peachey en Maeda geven aan dat zij voor de oplossing van dit raadsel hebben gezocht naar de steeds toenemende invloed van de menselijke activiteiten op de watercyclus:
“het laatste IPCC-klimaatveranderingsrapport uit 2021 rapporteerde over de impact, die mensen hebben gehad op de watercyclus op het land, als volgt: “Directe herverdeling van water door menselijke activiteiten voor huishoudelijk, landbouw- en industrieel gebruik van ongeveer 24.000 km3/jaar komt overeen met de helft van de mondiale rivierafvoer of een verdubbeling van de mondiale grondwateraanvulling per jaar”.
Deze 24 Tt/jr komt dus overeen met 60% van de totale geschatte retourstroom van 40 Tt/jr van het landoppervlakte naar de oceanen.”
Wereldpatronen
Dat de wereld door menselijk toedoen flink van karakter is veranderd wordt in een artikel van Klein Goldewijk et al. (2011) fraai inzichtelijk gemaakt. In gridcellen van 5*5 graden (85 km2 op de evenaar) wordt onder meer de volgende verspreiding weergegeven van akkerbouw- en weidegronden op wereldschaal gedurende de laatste vijfhonderd jaar.
Voor weidegronden (pastures) is het allemaal nog wat meer uitgesproken:
Zoals al eerder uiteengezet (zie link) heeft dit veranderende karakter van het landschap, zeker met de moderne landbouwmethoden, nogal wat consequenties voor de waterhuishouding.
Wanneer we nu de gedachte van Li et al. even vasthouden; “het is waarschijnlijker dat de toename van de hoeveelheid neerslag wordt veroorzaakt door veranderingen op het land dan bij de oceanen”, dan ligt het voor de hand om eerste eens te zien hoe de neerslag zich verspreidt over de verschillende land-gebieden van de wereld en dan vooral het Noordelijk Halfrond.
Een aantal hydrologen, verbonden aan de Delftse Universiteit, onder de leiding van Van der Ent heeft in 2010 al pionierswerk op dit vlak verricht (zie link). Hij onderscheidde in zijn artikel een groot aantal gebieden waar de verdamping veel groter was dan de neerslag, terwijl andere landelijke gebieden dit juist andersom was.
Op basis van de bovenstaande verdeling kon er dus ook een inschatting gemaakt worden van het belang van de verdamping van de eigen regio, voor de hoeveelheid neerslag van het gebied. Van der Ent ontwikkelde daarnaast de regionale recycling ratio voor zowel neerslag als verdamping, waarmee hij ook de relatieve hoeveelheid verdamping van een regio en het belang hiervan voor de regenval van het gebied in kaart kon brengen.
Op basis hiervan kon worden geconcludeerd:
“Een boekhoudprocedure op basis van ERA-Interim reanalysegegevens kon worden gebruikt om vochtrecyclingverhoudingen te berekenen. Er is berekend dat gemiddeld 40% van de terrestrische neerslag afkomstig is van landverdamping en dat 57% van alle terrestrische verdamping terugkeert als neerslag op land. Zo bleek dat vocht wat verdampt van het Euraziatische continent, verantwoordelijk was voor 80% van de neerslag in China.
In Zuid-Amerika is het Río de la Plata-bekken voor 70% van zijn waterbronnen afhankelijk van verdamping uit het Amazonewoud. De belangrijkste bron van regenval in het Congobekken is vocht dat verdampt boven Oost-Afrika, met name het gebied van de Grote Meren. Het Congobekken is op zijn beurt een belangrijke bron van vocht voor regenval in de Sahel. Verder is aangetoond dat vanwege de lokale orografie lokale vochtrecycling een belangrijk proces is in de buurt van de Andes en het Tibetaanse plateau.”
De Arctische Oceaan
Voor het Noordelijk halfrond lijkt vooral de gang van zaken in Siberië interessant. In feite wordt door van der Ent het bestaan van de ‘biotic pump’ bevestigd. Een theorie van de Russische onderzoekers Gorshkov en Makarieva, waarin verspreiding van vocht over de continenten zou worden veroorzaakt door de taiga, een ononderbroken beboste gordel in het noordelijk halfrond en reikt van Noord-Amerika tot Europa en Azië.
Deze theorie stelt dat bossen complexe, zichzelf in stand houdende regensystemen, de belangrijkste motor van atmosferische circulatie op aarde zijn. Ze recyclen enorme hoeveelheden vocht in de lucht en veroorzaken in dat proces ook winden die dat water over de hele wereld pompen.
Zonder aan het belang van deze theorie te willen afdoen, is het naar mijn idee echter evenzeer van belang dat Siberië grenst aan het van de meest complexe stuk van de wereldzeeën. De Noordelijke IJszee; ofwel de Arctische Oceaan. Ik heb hier al eerder over geschreven (zie link).
De levering van zoet water van de continentale landmassa is van bijzonder belang voor de Noordelijke IJszee, aangezien deze slechts 1,0% van het oceaanwater ter wereld bevat, maar 11% van de rivierafvoer ter wereld ontvangt (Shiklomanov en Shiklomanov 2003). Volgens de laatste schattingen gaat het om ongeveer 4300 km3 per jaar, waarvan Azië, Amerika en Europa resp. 55-, 28 en 17% leveren
Het gehele pan-Arctische hydrologische domein beslaat een gebied van ongeveer 23,7 miljoen km2, wat 20% van het totale wereldwijde landoppervlak vertegenwoordigt (Milliman en Farnsworth 2011) en verschillende klimaatzones beslaat van steppen en prairies in het zuiden tot een poolwoestijn in het noorden.
De Noordelijke IJszee is de meest door rivieren beïnvloede en door land ingesloten oceaan van alle oceanen en is de enige oceaan met een bijdragend landoppervlak dat groter is dan het oppervlak van de oceaan zelf (Ivanov 1976; Vörösmarty et al. 2001). De instroom van zoet water draagt maar liefst 10% bij aan de bovenste 100 meter van de waterkolom voor de gehele Noordelijke IJszee (Serreze en Barry 2000). De rivierstroom naar de Noordelijke IJszee speelt dus een belangrijke rol in de oceanische zoetwaterbalans, goed voor ongeveer twee derde van de totale zoetwaterstroom naar de Noordelijke IJszee (Serreze et al. 2006).
Geschat wordt dat de riviertoevoer naar de Arctische Oceaan in de periode 1936-2015 is toegenomen met 246 km3 per jaar, waarbij met name in de laatste dertig jaar een significante toename is geconstateerd.
Shiklomanov et al. (2021) melden ook dat er sprake is van een duidelijke samenhang tussen schommelingen in de jaarlijkse rivierafvoer en minimale omvang van het zee-ijs in de Noordelijke IJszee met negatieve correlatie r = −0,7 (Shiklomanov en Lammers 2009), wat, volgens de auteurs, suggereert dat:
- zowel rivieren als zee-ijs reageren op veranderingen in grootschalige hemisferische klimaatpatronen (Rawlins et al. 2009a);
- een steeds ijsvrijere zomer in de Noordelijke IJszee bijdroeg aan nattere omstandigheden op het landoppervlak via atmosferisch vochttransport van open zeegebieden.
Met name de tweede hypothese is hierbij van belang. De temperaturen van de lucht aan het oppervlak van de Noordelijke IJszee stijgen met het dubbele van de lagere breedtegraden en dit fenomeen heeft wijdverbreide implicaties voor alle componenten van de waterkringloop van de Noordelijke IJszee.
2024 was ook in Siberië een zeer vochtig jaar, zie onderstaande figuur.
Dat de riviertoevoer een flinke impact op het zeeijs van de Arctische oceaan heeft kan duidelijk worden geïllustreerd door de onderstaande ijs-situatie van juli 2024 eens te vergelijken met de in de hierboven aangegeven mondingen van de grote rivieren in de IJszee.
Hieronder is ook een plaatje van de Sea Surface Temperaturen (SST) van hetzelfde gebied drie jaar eerder (zie link)
Daar waar zee-ijs aanwezig is hebben we dus een temperatuur van nul graden die wel kan oplopen tot temperaturen van 10 graden Celsius daar waar dit zeeijs ontbreekt.
Behalve een zeer duidelijke negatieve correlatie tussen riviertoevoer en zeeijs, is er dan ook nog een zeer duidelijke negatieve correlatie tussen zeeijs en wolkenvorming. Volgens Min He et al (2019) zou een verlies in zee-ijsomvang van 0,1 miljoen km2 resulteren in een toename van 10-20% in het vochtgehalte in het Arctisch gebied. Arctische gebieden met meer zee-ijs blijken ook nog eens een kleinere wolkenfractie en een kleiner vloeibaar watergehalte in de wolken te hebben.
Dit zou betekenen dat er toch al aardig wat percentages vocht in het Arctisch gebied moeten zijn bijgekomen volgens de onderstaande grafiek van het KNMI.
Toch lijkt er een soort van nieuw evenwicht te zijn ontstaan na het jaar 2007.
Komt u de bovenstaande grafiek bekend voor? Dat zou zomaar eens kunnen. Hij lijkt namelijk wel heel erg op de inverse neerslagkaart van Nederland vanaf de jaren zeventig.
Regen en dus bewolking heeft natuurlijk een flinke invloed op de gemiddelde temperatuur, volgens een laatste bijdrage van Eschenbach over dit onderwerp. En dan het zou natuurlijk niet eens zo gek zijn wanneer we hier iets zouden merken van het Noordpool-klimaat, zo laat ons ook deze overzichtskaart van Wikipedia zien.
