25 oktober 2021 - 6 min. lezen
2 reacties 2

In 2021 kregen Syokoro Manabe en Klaus Hasselmann samen de helft van de Nobelprijs voor Fysica omwille van hun onderzoek naar klimaatmodellen. Dankzij die modellen zijn we in staat om de complexiteit van weer en klimaat via enkele fysische wetten te vertalen naar computercode, wat ons jaar na jaar meer inzicht geeft in de toekomst. En dat hebben we nodig om beleidsplannen uit te stippelen en ons voor te bereiden op wat komt. Jorn Van de Velde (klimaatwetenschapper aan de UGent) beschrijft het (opvallende) discours van onderzoek naar klimaatmodellen.

Deelnemen aan discussie? Ben je geïnteresseerd om deel te nemen als weeramateur of liefhebber van het weer aan het weerforum? Onderaan dit artikel krijg je bliksemsnel & gratis toegang tot alle reacties. Je kan ook je eigen weerfoto’s opladen.

Fysische processen bepalen het weer

Wie zich wel eens bezighoudt met het weer, heeft al snel door dat onze atmosfeer complex in elkaar zit. In een amper 10 km dunne laag ontstaat het dagelijkse weer door een veelvoud aan processen. De straalstroom, hoge- en lagedrukgebieden, fronten… zorgen voor de afwisseling tussen zonneschijn en regen of stormen en mooie nazomerdagen.

Tegenwoordig kunnen we al die weerfenomenen begrijpen en op basis daarvan voorspellingen maken. Om dat te kunnen doen, moet je in tegenstelling tot vroeger geen waarzegger zijn, maar een fysicus. Onze atmosfeer is immers een schil van gassen rond de aarde. Hoe die gassen bewegen kunnen we beschrijven aan de hand van fysische wetten. De truc van de fysicus is vervolgens om te weten welke fysische wetten we wel en niet nodig hebben om het weer op grote schaal te begrijpen. Wat blijkt? Met zes vergelijkingen geraken we al een heel eind. Die vergelijkingen koppelen fundamentele krachten die Newton al beschreef, zoals zwaartekracht, met principes zoals het behoud van massa: onze atmosfeer gaat niet plots zoals een open ballon leeglopen in de ruimte. Hou er dan nog rekening mee dat de aarde een ronddraaiende bol is, en voilà!

De 6 vergelijkingen maken natuurlijk nog geen model. De nood aan rekenkracht is een van de grootste redenen dat weer- en klimaatmodellering pas in de jaren ’60 goed op gang kwam. Sindsdien werken we echter altijd op dezelfde manier: het aardoppervlak en de atmosfeer worden opgedeeld in verschillende cellen, tijd wordt opgedeeld in specifieke tijdsblokken. Daardoor vereenvoudigt de berekening: We rekenen tijdsblok per tijdsblok, cel per cel.

Een voorstelling van de wereld opgedeeld in cellen, en verschillende atmosferische processen die per cel berekend worden (Bron: Wikimedia commons)

Klimaatmodel ≠ Weermodel

Ondanks de gemeenschappelijke basis, is er een belangrijk verschil tussen weer- en klimaatmodellen. Weermodellen zijn veel gedetailleerder dan klimaatmodellen, omdat we ze op een kortere termijn nodig hebben en zo precies mogelijk willen weten waar het bijvoorbeeld wel of niet zal regenen. Zowel voor een langere periode als over een gedetailleerder aardoppervlak berekenen vraagt meer rekenkracht. Die is beperkt, dus we moeten een afweging maken. Daarnaast willen we in klimaatmodellen opwarming en de effecten daarvan begrijpen. Er moet daarom nog een nieuw fysisch luik aan de modellen toegevoegd worden: elektromagnetisme. Daarmee kunnen we namelijk beschrijven waarom juist CO2 zo’n grote rol speelt in de opwarming van de atmosfeer. 

Nobelprijswinnaars en klimaatwetenschap

Het model waarmee Manabe in de jaren ’60 samen met zijn medeonderzoeker Richard Wetherald klimaatmodellering begon, was vanwege de beperkte rekenkracht beperkt tot één luchtkolom. In die luchtkolom berekende het model wat het effect van verschillende eigenschappen van de atmosfeer is op de temperatuur. Juist omdat de fysica die erachter zit, zo helder is, kon dit model wel vrij nauwkeurige inschattingen maken. Recent onderzoek toonde aan dat de eerste klimaatmodellen het bijna allemaal juist hadden over de uiteindelijke opwarming in de 20e eeuw.

De resultaten voor een toename van de CO2-hoeveelheid in het luchtkolommodel van Manabe en Wetherald: enkele graden opwarming met een grote invloed. (Bron: Manabe and Wetherald, 1967) 

Het weer is ruis op de lange termijn

Hoewel de opwarming van de atmosfeer een zeer belangrijke vraag is, is het minstens even belangrijk om te begrijpen hoe zich dat uit op andere aspecten van het klimaat. Waar zal er meer of minder regen vallen? Verwachten we meer stormen of extreme droogte? Sinds het eerste klimaatmodel van Manabe en Wetherald werden de modellen gaandeweg uitgebreid en werd het mogelijk om het aardoppervlak beter te weer te geven. Daardoor konden ze de 6 basisvergelijkingen meenemen in het geheel.

Hierbij botste men al snel op nieuwe problemen: hoe onderscheid je het weer van het klimaat? Het was de andere Nobelprijswinnaar Hasselmann die hier een belangrijke bijdrage aan leverde. Hij kwam op het idee om het weer in klimaatmodellen te beschouwen als een willekeurige ruis die op korte termijn speelt. Die ruis valt uit te filteren, waardoor we de klimaattrend op langere termijn kunnen begrijpen. Het is deze innovatie die nog steeds aan de grond ligt van de toekomstprojecties die we nu maken.

Betere klimaatmodellen met meer detail

Sinds die vroege ideeën in klimaatmodellering in de jaren ’60 en ’70 zijn onze modellen er beter op geworden, maar houden ze nog steeds vast aan dezelfde basisprincipes. De rol van oceanen, ijs, planten, chemie… worden beschreven aan de hand van formules, die vertaald worden zodat we ze per cel en per tijdsstap kunnen bekijken. Dat kunnen we steeds gedetailleerder doen, zodanig dat de link met het weer op een kortere termijn nu ook beter gemaakt kan worden.

De overstromingen van afgelopen zomer hebben nog eens getoond hoe belangrijke de recentste vernieuwingen zijn voor ons begrip van het klimaat. De ruimtelijke schaal waarop neerslag pas gemodelleerd kan worden, is zo fijn dat we ruwweg 10 jaar geleden nog geen uitspraak hadden kunnen doen over de impact van opwarming op het voorkomen van die overstromingen. Het is moeilijk te zeggen waar we over nog eens 10 jaar zullen staan, maar dat we nog steeds met de bril van de fysica naar onze atmosfeer zullen kijken, staat vast.

Gastblog

Door Gastblog

Expert in weer en klimaat of een ander boeiende niche in de wetenschap? Geregeld worden wetenschappers aan het woord gelaten via een gastblog.


Verder lezen

Alles bekijken
234 Prognose

Koel weer tot het weekend

1 dag geleden - 3 min. lezen