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 CO 2 concentratie ligt tussen 2 en 4 C, gebaseerd op verscheidene klimaatmodelvoorspellingen.