De afbraak van ozon en de toename van broeikasgassen in de stratosfeer hebben geleid tot veranderingen in het klimaat van de stratosfeer, de atmosferische luchtlaag tussen ongeveer tien en vijftig kilometer hoogte. Deze stratosferische klimaatverandering staat tegenwoordig sterk in de belangstelling, omdat zij waarschijnlijk de snelheid van het herstel van de ozonlaag zal beïnvloeden en omdat zij klimaatveranderingen in de troposfeer (de luchtlaag tussen het aardoppervlak en de stratosfeer) zou kunnen teweegbrengen. Recente studies suggereren dat een groot deel van de opwarming van Europa in de winter is veroorzaakt door veranderingen in het stratosferische klimaat. Deze aansturing van de troposfeer door de stratosfeer is opmerkelijk, aangezien de massa van de troposfeer wel tien keer zo groot is als die van de stratosfeer. Het bestaan van deze aansturing wordt echter bevestigd door computerexperimenten met een geavanceerd klimaatmodel.

Stratosferische afkoeling

Met een klimaatmodel is gekeken naar de klimaatveranderingen die het gevolg zijn van de toegenomen hoeveelheid broeikassen ². Figuur 1 laat de verandering zien van de temperatuur ten gevolge van een verdubbeling van de CO₂-concentratie in de gehele atmosfeer. Het is duidelijk te zien dat de troposfeer opwarmt en (het grootste gedeelte van) de stratosfeer afkoelt. Dit kan als volgt begrepen worden. Broeikasgassen zenden warmtestraling uit horend bij hun lokale temperatuur en absorberen straling die is uitgezonden door de omringende lucht. De dichtheid van lucht, en daarmee de warmteabsorptie, neemt af met de hoogte. Volgens de wet van Stefan-Boltzmann is de uitstraling groter naarmate de temperatuur stijgt. Omdat in de stratosfeer de temperatuur toeneemt met de hoogte, is de afkoeling door de uitstraling bij de lokale temperatuur groter dan de opwarming door de absorptie van straling die voornamelijk uitgezonden is bij lagere temperaturen op lagere hoogten. In de stratosfeer zal een toename van broeikasgassen dus leiden tot meer stralingskoeling en dus tot lagere temperaturen. In de troposfeer, waar de temperatuur afneemt met de hoogte, is de uitstraling kleiner dan de absorptie en zal een toename van broeikasgassen leiden tot hogere temperaturen. Waarnemingen van de stratosferische temperatuur laten een afkoelende trend zien sinds 1970 van ongeveer 0,6 tot 2 ^oC per decennium, waarbij die afkoeling toeneemt met de hoogte.

Arctische oscillatie

In de afgelopen decennia is de oppervlaktetemperatuur bijna overal gestegen ³. De opwarming is het grootst in de winter boven de continenten van het noordelijk halfrond. Een deel van deze opwarming kan worden verklaard door een toename van de positieve fase van de Arctische Oscillatie (AO). De AO is de dominante mode van variabiliteit van het gronddrukpatroon op het noordelijk halfrond. De oscillatie is niet regelmatig, maar varieert op tijdschalen van dagen tot decennia. Het patroon heeft de vorm van een dipool in de noord-zuid-richting, waarvan het midden ligt op ongeveer 60 ^°N. Een positieve fase van de AO correspondeert met een relatief groot verschil in luchtdruk tussen lage en hoge geografische breedtes. Dit grotere luchtdrukverschil leidt tot relatief sterke westenwinden. Deze sterke westenwinden leiden weer tot koudere winters ten oosten van de koude wintercontinenten (bijvoorbeeld boven het noordwesten van de Atlantische Oceaan) en tot warme winters ten oosten van de relatief warme oceanen (bijvoorbeeld boven Europa en Siberië). Een positieve fase van de ao correspondeert dus met relatief warme winters in Nederland. De waargenomen toename van de positieve fase van de ao tijdens de winter kan ongeveer 30% van de opwarming van het noordelijk halfrond als geheel verklaren, en ongeveer 50% van de opwarming van Europa en Azië ⁴. Ook onze simulaties van klimaatverandering ten gevolge van een verhoging van de CO₂-concentratie (figuur 2a) laten een toename zien van de troposferische westenwinden op de gematigde breedten van het noordelijk halfrond. De verhoging van de CO₂-concentratie leidt tot een toename van de positieve fase van de AO.

Geïdealiseerde modelsimulaties

Recent onderzoek suggereert dat de stratosfeer en de troposfeer sterk gekoppeld zijn ⁵. Door die koppeling zou de toename van de troposferische westenwinden veroorzaakt kunnen zijn door stratosferische klimaatveranderingen. Om dit te onderzoeken, hebben we geïdealiseerde modelsimulaties uitgevoerd, waarin de CO₂-concentratie werd verdubbeld in alleen de stratosfeer of alleen de troposfeer. De som van de afzonderlijke responsen (van bijvoorbeeld de temperatuur of de wind) op troposferische en stratosferische CO₂-verdubbeling is in het grootste deel van de atmosfeer ongeveer gelijk aan de respons op een CO₂-verdubbeling in de gehele atmosfeer. Dit betekent dat de (nogal kunstmatige) scheiding van de klimaatrespons in een stratosferische en troposferische respons fysisch zinvol is. De klimaatsimulaties laten zien dat de troposferische westenwinden sterker worden door de stratosferische CO₂-verdubbeling (figuur 2b), maar niet significant veranderen door de troposferische CO₂-verdubbeling (figuur 2c). Dit suggereert dat de toename van de troposferische westenwinden ten gevolge van CO₂-verdubbeling in de gehele atmosfeer voornamelijk toegeschreven kan worden aan stratosferische CO₂-verdubbeling. Omdat de sterkere westenwinden corresponderen met een sterkere positieve fase van de AO, bevestigen deze resultaten de hypothese dat de waargenomen toename van de positieve fase van de ao voor een groot deel veroorzaakt wordt door stratosferische klimaatverandering. De opwarming van Nederland lijkt dus mede veroorzaakt te worden door klimaatverandering in de stratosfeer!

Herstel van de ozonlaag

Uit de modelresultaten kunnen we nog een aantal interessante conclusies trekken. In de troposfeer worden grootschalige atmosferische golven opgewekt door bergen en land-zeecontrasten, die zich vervolgens omhoog voortplanten naar de stratosfeer. Door de afname van de luchtdichtheid met de hoogte breken deze golven op een bepaalde hoogte, net zoals zeegolven op het strand. Hierdoor ontstaat in de stratosfeer een grootschalige circulatie die bestaat uit stijgende bewegingen in de tropen, poolwaartse beweging op gematigde breedten en dalende bewegingen boven de poolgebieden. Deze stratosferische circulatie wordt ook wel de Brewer-Dobson-circulatie genoemd. Deze circulatie kan de waargenomen stratosferische verdeling van stoffen als waterdamp en ozon goed verklaren. Bovendien is het de belangrijkste aandrijver van de uitwisseling van lucht tussen de troposfeer en de stratosfeer. Ons klimaatmodel geeft, in overeenstemming met de meeste andere klimaatmodellen, een versterking van de Brewer-Dobson-circulatie als gevolg van toenemende broeikasgasconcentraties. Hierdoor worden ozonafbrekende stoffen sneller uit de atmosfeer verwijderd, en zal de ozonlaag vermoedelijk iets sneller herstellen. Met behulp van onze geïdealiseerde modelsimulaties is vastgesteld dat deze versterking vooral veroorzaakt wordt door de troposferische CO₂-toename. Dit resultaat is consistent met het feit dat de Brewer-Dobson-circulatie voornamelijk wordt aangedreven door grootschalige atmosferische golven die in de troposfeer worden opgewekt.

Stratosfeer in klimaatmodellen

Lange tijd werd gedacht dat de toestand van de stratosfeer niet wezenlijk van invloed was op het weer aan het aardoppervlak en werd de stratosfeer niet of nauwelijks meegenomen in klimaatmodellen. Veel klimaatmodellen modelleerden de atmosfeer tot op een hoogte van 30 kilometer (ongeveer halverwege de stratosfeer), terwijl tegenwoordig de top rond 85 kilometer hoogte ligt. De hierboven beschreven resultaten suggereren dat stratosferische klimaatverandering een grote invloed heeft op het klimaat in de troposfeer. We hebben onderzocht hoeveel van de invloed van de stratosferische klimaatverandering op de troposfeer wordt gemist door de oudere ‘lagere’ modellen. Hiertoe hebben we in ons klimaatmodel de CO₂-concentratie alleen verdubbeld in de laag tussen 30 en 85 kilometer hoogte (de top van ons model). De resultaten laten zien dat CO₂-verdubbeling in alleen al deze laag leidt tot een significante versterking van de troposferische westenwinden (figuur 2d). Als deze laag niet meegenomen zou worden in klimaatmodellen (zoals het geval is bij de oudere lagere modellen), zou dus een deel van de invloed van stratosferische klimaatverandering op de troposfeer worden gemist. Het ophogen van de modellen is dus een belangrijke stap in het verbeteren van berekeningen van het toekomstige (troposferische) klimaat.

Betere weersverwachtingen

Ook op kortere tijdschalen blijken de stratosfeer en de troposfeer gekoppeld te zijn. Variaties in de stratosferische westenwinden leiden vaak enkele weken later tot soortgelijke variaties in de troposferische westenwinden. Momenteel wordt onderzocht of dit gegeven uitgebuit kan worden om de weersverwachting op de langere termijn (10-60 dagen) te verbeteren. We hebben de koppeling tussen de troposfeer en de stratosfeer op deze tijdschaal onderzocht door te onderzoeken via welk dynamisch mechanisme de stratosfeer invloed heeft op de troposfeer ⁶. Dit hebben we gedaan door het analyseren van wind- en luchtdrukgegevens van het Europese weercentrum voor de winters van 1979 tot 1993. De resultaten wijzen op het bestaan van een mechanisme waarbij de stratosfeer de troposfeer beïnvloedt via variaties in de stratosferische en troposferische meridionale (noord-zuid-)stromingen.

Uitdagingen voor de toekomst

De laatste jaren zijn er steeds meer aanwijzingen gevonden voor de belangrijke rol die de stratosfeer speelt in het klimaatsysteem. Ook de resultaten van onze studies geven aanwijzingen voor de invloed van de stratosfeer op het weer en klimaatveranderingen op leefniveau. Over de onderliggende fysische mechanismen is echter nog onvoldoende bekend. Toekomstig onderzoek, bijvoorbeeld met simpele conceptuele modellen, moet leiden tot een beter begrip van de manier waarop de troposfeer wordt aangestuurd door de relatief lichte stratosfeer. Tot slot mogen we mogelijke andere oorzaken van klimaatverandering niet over het hoofd zien. Niet alleen veranderingen in de stratosfeer, maar ook veranderingen in de tropen lijken belangrijk voor onze toekomstige winters. Een recente KNMI-studie ⁷ geeft aan dat in de komende eeuw de wind in de winter wellicht vaker uit het zuiden gaat waaien door veranderingen in de neerslag boven de Indische Oceaan. Ook deze veranderingen worden veroorzaakt door toenemende broeikasgassen en zullen zorgen voor zachtere winters in Nederland. Voor klimaatonderzoekers blijft het een grote uitdaging om de toekomstige veranderingen in het Nederlandse (winter)klimaat zo goed mogelijk te simuleren en te begrijpen.

Referenties

1 KNMI, ‘De toestand van het klimaat in Nederland 2003’, zie http://www.knmi.nl/voorl/ nader/klim/klimaatrapportage2003/. 2 M. Sigmond, P.C. Siegmund, E. Manzini en H. Kelder, ‘A simulation of the separate climate effects of middle atmospheric and tropospheric CO2 doubling’, J. Climate 17 (2004), 2352-2367. 3 IPCC, ‘Climate change 2001: the scientific basis’, Contribution of working group i to the third assessment report of the intergovernmental panel on climate change. J.T. Houghton et al., eds., (Cambridge University Press, 2001), http://www.ipcc.ch/. 4 D.W.J. Thompson, J.M. Wallace en G.C. Hegerl, ‘Annular modes in the extratropical circulation. Part ii: Trends’, J. Climate 13 (2000), 1018-1036. 5 P.C. Siegmund, ‘Stratospheric polar cap-mean height and temperature as extended-range weather predictors’, Mon. Wea. Rev. 133 (2005), 2436-2448. 6 M. Sigmond, P.C. Siegmund en H. Kelder, ‘Analysis of the coupling between the stratospheric meridional wind and the surface level zonal wind during 1979-1993 northern hemisphere extratropical winters’, Clim. Dyn. 21 (2003), 211-219. 7 F.M. Selten, G.W. Branstator, H.A. Dijkstra en M. Kliphuis, ‘Tropical origins for recent and future northern hemisphere climate change’, Geophys. Res. Lett. 31 (2004), doi:10.1029/2004GL020739.

Bezoek de website van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde