Vraagstelling: Waarom zijn onze mathematische klimaatmodellen niet in staat de toekomstige temperaturen correct te voorspellen?

1. Modellen.

Het klimaat is een ontzettend complex fenomeen. We kennen het, zelfs kwalitatief verre van volledig. Desondanks doen we aanzienlijke inspanningen om er mathematische modellen van te maken die we dan zelfs voor kwantitatieve voorspellingen gebruiken. Het kan dus niemand verwonderen als die voorspellingen niet correct blijken te zijn.

Dat blijkt heel duidelijk uit de data die in 2017 door prof. John Christy voor het US Congres gepresenteerd werden:

2. Energiebalans

We hebben hier in principe met een energiebalans te doen. Die energiebalans wordt door ernstige systematische fouten belast. Het is mogelijk vrij nauwkeurig te bepalen welke energiehoeveelheid de aarde van de zon ontvangt. Nieuwere inzichten tonen echter dat ook de aarde zelf warmte genereert, waarschijnlijk door nucleaire processen die in de kern plaats vinden. Het is uiteraard onmogelijk die energiehoeveelheid onafhankelijk te meten.

Ook bij de energieafgifte zijn er grote onzekerheden. De energiestromen in de atmosfeer zijn zeer complex. Hier spelen radiatie, convectie en conductie een rol. Maar ook verdamping en condensatie dragen aanzienlijk bij. Dat aspect begrijpen we even onvolledig als energie- en materiaaltransport in de oceaanstromingen. Ook de zeer belangrijke rol van de wolken bij de reflectie van zonlicht is verre van volledig bekend. Het is dan ook duidelijk dat onze prognoses met aanzienlijke foutenmarges belast zijn want onze balans klopt niet.

3. Fouten.

Het IPCC heeft blijkbaar besloten het hele klimaatprobleem tot één aspect te reduceren: CO₂. Dat is aanvechtbaar, omdat waterdamp meer broeikaseffect oplevert dan CO₂. Desondanks beschouwt het IPCC waterdamp enkel als een ‘versterkingsfactor’ voor CO₂. Hun belangrijkste grootte is de zogenaamde “CO₂ sensitiviteit van het klimaat”. Die term is ongelukkig gekozen omdat hierdoor klimaat met temperatuur verward wordt.

Die sensitiviteit is gedefinieerd als de temperatuurverhoging die ontstaat bij een verdubbeling van de CO₂ concentratie. Twintig jaar geleden werd die sensitiviteit door het IPCC geschat op 3 +/- 1,5 ºC. Hier zien we dus toch wel zeer brede foutengrenzen. Dat is de waarde die ook in de modellen werd en wordt gebruikt.

Ondertussen zijn tientallen onderzoekers (zie de samenvatting door Scafetta) progressief tot steeds lagere resultaten gekomen. Momenteel schatten de meeste onderzoekers de waarde in de buurt van nul. Dat verbaast, want de werking van CO₂ in de atmosfeer is, op het eerste gezicht, goed gekend.

Hier zien we het IR absorptiespectrum van CO₂ (uit NIST Chemistry WebBook).

Wat ons vooral opvalt, is het interval tussen 14 en 16 μm, waar een aanzienlijk deel van de straling geabsorbeerd wordt. Door toepassing van de wet van Lambert-Beer, waarop we nog terugkomen, blijkt dat de straling in dat interval op slechts enkele meters quasi volledig geabsorbeerd is. Uiteraard is het denkbaar dat de vibratie energie door het CO₂ molecule terug als e.m. straling met diezelfde golflengte wordt afgegeven. Jack Barrett [1] heeft echter aangetoond dat het grootste deel van die vibratie energie ‘gethermaliseerd’, dus in kinetische energie van de gasmoleculen omgezet is, alvorens noemenswaardige her-uitstraling kan plaats vinden. Dus zou die frequentieband ‘weg’ moeten zijn. Welnu, observaties met de Nimbus satelliet op 1000 km hoogte tonen het volgende door de aarde uitgezonden stralingsspectrum:

We zien dat van de betreffende band toch nog ongeveer een derde over blijft.

Er zijn nog veel en ernstige hiaten in ons weten. We moeten er dus rekening mee houden dat onze modellen nog duidelijk grotere fouten vertonen dan ons momenteel bewust is.

4. De Wet van Lambert-Beer maakt de fouten erger.

De spectroscopische kant van het probleem is dat wat we nog het best begrijpen. De absorptie van licht door een fluïdum wordt kwantitatief beschreven door de wet van Lambert-Beer:

daarin is:

I0 Ingaande stralingsintensiteit.

I1 Uitgaande stralingsintensiteit

e Grondgetal van de natuurlijke logaritmen (2,71828182846…)

ε Extinctie coëfficiënt: geldt slechts voor één golflengte

c Concentratie van de absorberende substantie

l Laagdikte waardoor de lichtstraal reist.

We werken meestal met 10 in plaats van e als grondgetal. Dat maakt het mogelijk de algemeen beschikbare Briggse logaritmen te gebruiken, wat vroeger interessant was. In dit geval verandert uiteraard ε van waarde, maar dat is hier niet belangrijk.

We beschouwen de band tussen 14 en 16 μm, dus de integrale over dat interval.

We beschouwen enkel CO₂ als toevoeging aan zuurstof en stikstof

We stellen ons een constante weglengte ‘l’ voor, die we niet nader hoeven te bepalen, maar die we ons in de grootteorde 10 m kunnen voorstellen. Dan krijgen we met Lambert-Beer de volgende situatie in functie van de CO₂ concentratie.

 

We kunnen ook afbeelden welke fractie van de ingaande energie op de weg l geabsorbeerd werd, in functie van de CO₂ concentratie.

 

Als we het eerste deel van die curve, waar de reële wereld zich momenteel afspeelt, uitvergroten krijgen we het volgend beeld.

 

Wat we hier zien was te verwachten. Op het interval tussen 0 en 400 ppm CO₂ wordt een energiehoeveelheid E1 in warmte omgezet die veel hoger ligt dan E2 tussen 400 en 800 ppm.

Links hebben we de – laag – geschatte systematische fout afgebeeld. Nu is duidelijk te zien dat die fout de fenomenen die bij een verhoging van 0 tot 400 ppm optreden niet kwalitatief kan verbergen. Bij het interval tussen 400 en 800 ppm is dat wel het geval.

5. Conclusie

Waar we die modellen bij zeer lage CO₂ concentraties nog min of meer zouden kunnen vertrouwen, verliezen ze bij de reëel gemeten concentraties iedere praktische betekenis en kunnen ze dus als informatiebron niet ernstig in aanmerking komen. We moeten zelfs met de mogelijkheid rekening houden dat toenemend CO₂ geen verdere opwarming veroorzaakt, wat met de recente zeer lage schattingen van de CO₂ sensitiviteit overeenstemt.

[1] Jack Barrett, Spectrochim. Acta Part A, 51, 415 (1995)