Klimaatverandering zorgt voor minder stratiforme wolken
Een recente studie, gepubliceerd in Nature, toonde aan dat de opwarming van de aarde in de toekomst kan leiden tot het verminderen van stratiforme wolken. Via feedback mechanismen kan dat de opwarming nog extra versterken. De processen achter dit mechanisme waren tot voor kort te complex en kleinschalig om betrouwbare conclusies uit te kunnen trekken. Met behulp van een verbeterd model heeft men nu wel kunnen nagaan hoe stratiforme wolken in de toekomst zullen reageren op de opwarming van de aarde en deze resultaten zijn erg opvallend. Klimatoloog Yoni vatte de nieuwe studie voor ons samen.
Stratiforme wolken
Bij stratiforme bewolking is de breedte-hoogte ratio hoog. Met andere woorden: het zijn brede, gelaagde wolken die niet hoog reiken in de verticale richting. Ze kunnen dan ook een groot gedeelte van het aardoppervlak bedekken, waardoor de aanwezigheid van deze wolken een significante invloed kan hebben op zonne-instraling en de daarmee gepaard gaande opwarming. Ze komen meestal voor in een stabiele luchtlaag. Hier kan de wolkenvorming zich moeilijk verticaal ontwikkelen omdat er zich een drogere, warmere luchtlaag boven bevindt. Cumuliforme wolken daarentegen hebben wel een duidelijke verticale ontwikkeling.
Het vormen en in stand houden van stratiforme wolken gaat via de balans tussen 2 processen: radiatieve afkoeling aan de wolkentoppen en convectieve vochtaanvoer vanaf de grond. Deze processen zijn belangrijk aangezien stratiforme wolken beginnen op te lossen als de radiatieve afkoeling aan de top te zwak wordt om de convectieve vochtstromen op te wekken van aan het aardoppervlak. Er is dan geen toevoer meer van vocht en dat is hetgeen de wolk vormt.
Radiatieve afkoeling
Radiatieve afkoeling is het verlies aan energie (temperatuur) doordat er netto meer straling weggaat dan toekomt. In dit geval wordt dit bepaald door de emissiviteit: de efficiënte waarmee een lichaam langgolvige straling kan uitstralen. Wolkendruppels en CO2 deeltjes hebben een zeer hoge emissiviteit. Dit wil zeggen dat ze gemakkelijk langgolvige straling opnemen en terug uitstralen.
Wolkentoppen hebben dus een zeer hoge emissiviteit en stralen gemakkelijk langgolvige straling uit. De drogere lucht erboven bevat echter minder wolkendruppeltjes. Hierdoor vindt minder uitzending plaats van langgolvige straling richting de wolk. Er vindt dus meer langgolvige uitstraling plaats aan de wolkentoppen (door wolkendruppeltjes) dan er toekomt (door droge lucht erboven). Hierdoor koelen de toppen van deze stratiforme bewolking snel af via radiatieve afkoeling (zie hieronder).
Convectieve vochtaanvoer
Doordat radiatieve afkoeling aan de wolkentoppen voor afkoeling zorgt, wordt er vanuit het warmere aardoppervlak een convectieve luchtstroom opgewekt. Dit is met andere woorden het principe van de warme lucht die stijgt (warm -> koud). Deze convectie voedt de wolken met vocht waardoor het bestaan van stratiforme wolken in balans blijft (zie hieronder).
Stratiforme bewolking lost dus op als de radiatieve cooling aan de top te zwak wordt om convectieve vochtstromen op te wekken vanuit het aardoppervlak. De voedingsbron valt dan weg.
Het effect van de klimaatverandering
En hier wringt nu juist het schoentje. Door de klimaatopwarming zal het aantal deeltjes CO2 in de atmosfeer toenemen. Zoals eerder aangehaald hebben broeikasgassen zoals vochtdruppeltjes en CO2 een hoge emissiviteit. Omdat de atmosfeer boven de stratiforme wolken dus een hogere emissiviteit krijgt, zal radiatieve afkoeling afnemen.
Er komt in een CO2-rijke atmosfeer meer langgolvige straling van bovenaf binnen aan de wolkentoppen (dit heeft effect op Lin, niet op Luit). Door de getemperde afkoeling aan de toppen neemt de temperatuurgradiënt met het aardoppervlak af. Hierdoor nemen de convectiestromen met aangevoerde vocht af in kracht.
Het model van de auteurs gaat uit van een CO2 concentratie van 1200 ppm (meest pessimistische klimaatscenario). Als deze concentratie wordt behaald, worden de stratiforme wolken instabiel. Ze beginnen op te lossen doordat er te weinig aanvoer van vocht is via de convectieve stromen. Doordat de stratiforme wolken beginnen op te lossen warmt het aardoppervlak nog eens extra hard op (grotere inkomende zonne-straling).
Sterkere opwarming door verdwijnen stratiforme wolken
Alles samenvattend vindt er door een inbalans van langgolvige straling aan de wolkentoppen van stratiforme bewolking gemakkelijk afkoeling plaats. De grootte van deze inbalans wordt bepaald door het verschil in emissiviteit tussen de wolkentop en de vrije atmosfeer erboven en is afhankelijk van vocht- en CO2-gehalte. De temperatuurgradiënt die hierdoor ontstaat wekt op zijn beurt convectiestromen op van aan het aardoppervlak. Deze voeren vocht aan en dienen als voedingsbodem voor de stratiforme wolk.
In een atmosfeer met meer vocht en CO2 zal de langgolvige straling die toekomt aan de wolk toenemen. Dit verzwakt de radiatieve afkoeling waardoor de convectiestromen verzwakken. Uiteindelijk, als de CO2-concentratie hoog genoeg is, zullen de stratiforme wolken beginnen op te lossen. Er zet zich dan een feedback mechanisme in gang, waarbij de opwarming nog sterker wordt door een grotere inkomende zonne-straling.
