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.

Cumuliforme wolken worden gekenmerkt door een sterke ‘vertical’ ontwikkeling.

Stratiforme wolken

Bij stratiforme bewolking is de breedte-hoogte ratio hoog, met andere woorden: het zijn brede, gelaagde wolken die niet hoog reiken op de verticale as. 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, waarbij de wolkenvorming zich moeilijk verticaal kan ontwikkelen omdat er zich een drogere, warmere luchtlaag boven bevindt. Cumuliforme wolken daarentegen hebben wel een duidelijke verticale ontwikkeling.

Het verschil tussen stratiforme (breed maar niet hoog) en cumuliforme (smal maar hoog) wolken.

Het vormen en in stand houden van stratiforme wolken wordt bepaald door 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.

Zonnestralen tussen de wolkenvelden.

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, m.a.w. ze nemen erg gemakkelijk langgolvige straling op en stralen dit erg gemakkelijk terug uit.

Wolkentoppen hebben dus een zeer hoge emissiviteit en stralen gemakkelijk langgolvige straling uit. De drogere lucht erboven bevat echter minder wolkendruppeltjes, waardoor vanuit de hogere lagen van de atmosfeer minder langgolvige straling wordt uitgezonden richting de wolk. Doordat er dus aan de wolkentoppen meer langgolvige straling uitgestraald wordt (door de wolkendruppeltjes) dan er toekomt (door de droge lucht erboven), koelen de toppen van deze stratiforme bewolking snel af via radiatieve afkoeling (zie hieronder).

De wolkentoppen van stratiforme wolken koelen sterk af door radiatieve afkoeling, omdat er meer langgolvige straling (Luit) uitgaat (door de hoge emissiviteit van de wolkendruppels) dan er (Lin) inkomt (doordat de drogere lucht een lagere emissiviteit heeft). De emissiviteit van de wolk wordt in mindere mate bepaald door het CO2-gehalte omdat de wolkendruppeltjes hier dominant zijn, maar deze is echter wel belangrijk voor de hogere, wolkenvrije delen van de atmosfeer.

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 wordt gehouden (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.

Door de radiatieve afkoeling aan de wolkentoppen wordt een convectiestroom opgewekt van vochtige en warmere lucht aan het oppervlak naar de wolk toe.

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 namelijk meer langgolvige straling van bovenaf binnen aan de wolkentoppen (dit effect heeft enkel maar invloed op Lin en niet op Luit. Door de getemperde afkoeling aan de toppen neemt de temperatuurgradiënt met het aardoppervlak af, waardoor de convectiestromen met aangevoerde vocht in kracht afnemen.  Het model dat de auteurs gebruiken laat zien dat wanneer de hoeveelheid CO2 stijgt tot boven 1200 ppm (meest pessimistische klimaatscenario), de stratiforme wolken instabiel worden en beginnen oplossen omdat er te weinig vocht wordt aangevoerd via de convectieve stromen. Doordat de stratiforme wolken beginnen op te lossen warmt het aardoppervlak nog eens extra hard op (grotere inkomende zonne-straling).


De zonne-instraling neemt toe als er minder stratiforme wolken zijn.

Conclusie

Door een inbalans van langgolvige straling aan de wolkentoppen van stratiforme bewolking vindt er een 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 dan weer convectiestromen op van aan het aardoppervlak die vocht aanvoeren 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.

Twijfel niet om te reageren onder dit artikel!


Lees ook eens: