Het KNMI doet veel meer dan alleen weerberichten op het nieuws. Frank deed er zijn promotieonderzoek als natuurkundige, naar de modellering van het klimaat. Zijn natuurkundige modellen geven inzicht in hoe het klimaat werkt, hoe het systeem varieert en vooral hoe het klimaat vanaf nu verder gaat veranderen. Een kwestie van sommen maken: als ergens een tekort ontstaat, verschijnt ergens anders een teveel, ook als het gaat over zonne-energie.

De temperatuur op aarde blijft hetzelfde als er net zoveel energie binnenkomt als eruit gaat, zo simpel is het. En die energie krijgen we van de zon. ‘De zon is eigenlijk een kernreactor,’ legt Frank uit. ‘In het binnenste van de zon vindt kernfusie plaats van waterstof. De energie die daarbij vrijkomt, verlaat de zon in de vorm van elektromagnetische straling, die ook op de aarde terechtkomt. Niet alleen in de vorm van het zonlicht, maar ook bijvoorbeeld als ultraviolet licht. Slechts een deel van dat elektromagnetische spectrum kunnen we zien.’

Energie terugkaatsen

Alles bij elkaar komt er 1.361 Watt zonne-energie per vierkante meter op de aarde af. Gelukkig komt niet op elke plek zoveel Watt aan energie binnen. Frank: ‘Je moet het delen door vier, want de helft van de aarde vangt die straling en door de bolvorm wordt de straling ook verspreid over een twee keer zo groot oppervlak. Dus we komen op ongeveer 340 Watt per vierkante meter. Een deel van het zonlicht dat op de aarde afkomt, zo’n 30 procent, wordt direct teruggekaatst, vooral door witte oppervlaktes zoals wolken, sneeuw en ijs. De overige 70 procent wordt op aarde omgezet in warmte. Dat betekent dat gemiddeld 240 Watt per vierkante meter wordt opgenomen door de aarde.’

De aarde raakt energie kwijt door warmte uit te stralen in de vorm van elektromagnetische straling in het infrarood dat we met het blote oog niet kunnen zien. De hoeveelheid uitgestraalde warmte is afhankelijk van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer warmte wordt uitgestraald.

De link met klimaatverandering is simpel: de aarde warmt op als er meer energie binnenkomt, dan eruit gaat. En de temperatuur op aarde blijft gelijk als we niet alleen 240 Watt energie binnenkrijgen, maar ook weer kwijtraken. Bij een gemiddelde temperatuur van -18 graden straalt de aarde 240 Watt uit. Zonder atmosfeer zou het dus flink kouder zijn. Frank: ‘In onze atmosfeer zitten moleculen die de warmtestraling die vanaf de aarde komt, opvangen en weer uitzenden naar boven richting heelal en naar beneden, richting het aardoppervlak. Deze moleculen, waterdamp en CO2 bijvoorbeeld, noemen we broeikasgassen. Dus het aardoppervlak wordt niet alleen verwarmd door zonlicht, maar ook door de warmtestraling afkomstig van de broeikasgassen in de atmosfeer. Zo komen we tot een gemiddelde temperatuur bij het aardoppervlak van zo’n 15 graden. Bij deze temperatuur aan de grond verlaat uiteindelijk 240 Watt per vierkante meter aan warmtestraling de top van de atmosfeer en compenseert precies de 240 Watt per vierkante meter aan opgenomen zonne-energie.’

Op weg naar een ijstijd

De temperatuur op aarde was lange tijd stabiel, maar sinds de laatste ijstijd is er wat veranderd, vertelt Frank. ‘Zesduizend jaar geleden zijn we landbouw gaan toepassen. En daarbij verbrand je veel bos, waarbij CO2 vrijkomt. We waren in feite op weg naar een nieuwe ijstijd, maar omdat we bossen verbranden en fossiele brandstoffen delven en verbranden, verstoren we dat systeem. Het koelt niet af, maar het warmt juist op door de toename van CO2 in de atmosfeer.’

Ik zou denken: een redding. Want wie zit er nu op een volgende ijstijd te wachten? Maar Frank spreekt dat tegen. ‘Een gewone ijstijd zou duizenden jaren op zich laten wachten en we zien nu dat de temperatuur zo snel stijgt, dat we daar last van krijgen.’

Het is duidelijk, de energiebalans van de aarde is in de war. Dat is onder andere te zien op satellietmetingen. ‘Het broeikaseffect was al bekend, maar dankzij de satellieten die NASA twintig jaar geleden heeft gelanceerd, kunnen we nauwkeurig aantonen welke warmtestraling er van de aarde af komt, hoeveel zonlicht op de aarde valt en hoeveel er weerkaatst wordt.’ De disbalans was ongeveer een halve watt per vierkante meter, legt Frank uit. Tenminste, twintig jaar geleden. Tegenwoordig is het al anderhalve watt per vierkante meter. ‘Dat is de aanjager van de klimaatverwarming. Dat klinkt als een miniem verschil, maar de aarde heeft veel vierkante meters dus het gaat om veel opwarming.

Oceaan warmt op, ijs smelt

Dat is niet alleen zichtbaar en meetbaar met die satellieten, maar ook op aarde is het verschil zichtbaar. Sneeuw en ijs smelt, de oceaan warmt op. ‘Wetenschappers meten de temperatuurverandering van het land en de oceaan. Zij kunnen uitrekenen hoeveel energie dat vertegenwoordigt. En die som klopt aardig met de gegevens die de satellieten meten.’

En terwijl die temperatuur stijgt, gebeurt er meer in het klimaatsysteem. IJs- en sneeuwvlaktes smelten bijvoorbeeld, wat ervoor zorgt dat er meer zonnestraling wordt opgenomen en minder wordt teruggekaatst. Dat zelfversterkende effect heet het albedo-effect. ‘Ook zien we dat er minder wolken komen, die zonlicht reflecteren. Dat is ook een versterkend mechanisme. Ook dat zorgt ervoor dat er meer zonlicht wordt geabsorbeerd. En er komt meer waterdamp in de lucht, dat nog eens extra uitgaande warmtestraling tegenhoudt. En de enige remedie is, zorgen dat de aarde z’n warmte weer makkelijker kwijt kan.’

Misschien kan dat albedo-effect worden teruggedraaid door meer oppervlakken op aarde reflecterend te maken? Of wolken witter te maken? Frank is sceptisch over dat soort experimenten. ‘Solar radiation management heet dat. Maar daar kleven risico’s aan. Regenpatronen en windpatronen kunnen erdoor veranderen. De gevolgen daarvan zijn onvoorspelbaar. Dus ingrijpen op die manier is niet zonder gevaar. Het is beter om de uitstoot van broeikasgassen te stoppen en CO2 uit de lucht te halen. Maar voorlopig zien we de uitstoot van met name CO2 nog steeds stijgen en de disbalans verder toenemen. Op deze manier gaat de opwarming nog tientallen jaren, versneld, door.’

Kom in actie

Tijd voor actie, zegt Frank. ‘Hoewel een deel van de klimaatopwarming niet in onze handen is, bijvoorbeeld door de verandering van wolken, weten we precies wat we moeten doen om die CO2-uitstoot terug te brengen. De wetten die we als mensen maken, die worden ontdoken of niet gehandhaafd. Maar de natuur liegt nooit, die houdt zich altijd aan natuurwetten.’

Luister naar de podcast: Klimaatverandering is geen breinbreker (en ook wel)

Foto: Paweł Janiak (Unsplash)