3. De Zon en het klimaat op Aarde

1. 3. De Zon en het klimaat op Aarde 3.1. Energiebalans in de aardse atmosfeer 3.2. Eeuwenoude variaties van de zonne-activiteit 3.3. Reconstructie van het vroegere klimaat 3.4. Modulatie van het zonlicht 3.5. Modulatie van de energetische deeltjes en wolken 3.6. Welke natuurkundige mechanismen? 3.7. Besluit Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

2. Inleiding Sinds het begin van de mensheid heeft men intuitief aangevoeld dat de Zon de bron van alle leven op Aarde was en een essentiele rol speelde op onze aardse omgeving. De mensen gingen op zoek naar verschillende tekenen van deze invloed, met inbegrip van de verering van de Zon door verschillende cultussen. Tijdens de 20e eeuw hebben de wetenschappers zich, op hun beurt, gebogen over de mogelijke onderlinge relaties tussen de zonneactiviteit, ontdekt in de 19e eeuw en de verscheidene aardse processen, in het bijzonder het klimaat. Deze nieuwsgierigheid nam een heel ander perspectief aan tijdens de laatste decennia, door het besef dat menselijke activiteit een nooit geziene evolutie teweegbrengt op het klimaat. Van waarnemer heeft de mens een nieuw statuut moeten aannemen als verantwoordelijke acteur, waarbij het klimaat een voornaamste zorg van de mensheid wordt. We zullen hier aantonen hoe de zonnefysica en de langetermijn-metingen van haar activiteit ons kunnen helpen in de analyse van het vroegere en toekomstige klimaat. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

3. 3.1. Energiebalans in de aardse atmosfeer Het klimatologisch systeem op aarde word in zijn geheel onderhouden door het zichtbare en infrarode licht afkomstig van de Zon. Van het zichtbare licht, ter hoogte van de top van de atmosfeer: • wordt 49% geabsorbeerd door het aards oppervlak, • wordt 31% teruggekaatst in de ruimte (20% door wolken, 6% door lucht en 4% door het oppervlak, in het bijzonder het polair pakijs) - dit is de albedo van de Aarde, • wordt 20% geabsorbeerd door de atmosfeer, voornamelijk door de troposferische aerosols. Een deel van de invallende straling (79%) wordt door het aardse oppervlak (79%) teruggestraald, onder de vorm van infraroodstraling (IR, warmte). Deze straling wordt vastgehouden in de atmosfeer, door waterdampmoleculen en andere gassen zoals koolstofdioxide CO2, methaan CH4, natriumoxides NO2 en chloro-fluo-koolstoffen. De infraroodstraling die op die manier terug naar het oppervlak wordt gestuurd door de atmosfeer vertegenwoordigt 66% van de totale straling verantwoordelijk voor de verwarming van het oppervlak en de oceanen (tegen 18% voor het rechtstreeks zonlicht en 16% voor het door de wolken veroorzaakte strooilicht). Dit effect noemt men het broeikaseffect. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

4. 31% Broeikas effect 69% 10% Atmosfeer Opwarming van de atmosfeer 519 Straling van de atmosfeer 519 90% 49% 20% Oppervlakte van de Aarde (continenten en oceanen)‏ 34% 79% 66% 21% Energiebalans in W/m2 Opwarming van de atmosfeer en het oppervlak van de Aarde Zonder dit effect zou de gemiddelde temperatuur aan het oppervlak gelijk zijn -19° in plaats van +14° Percenten: • Invallende zonnestraling (geel)‏ • Zichtbare en IR straling ontvangen door het oppervlak (groen)‏ • Warmte teruggestuurd door het oppervlak (paars)‏ • IR straling van het oppervlak (rood)‏ Pijlen (flux): • Zichtbaar zonnelicht (geel)‏ • IR straling (rood)‏ • Warmte-uitwisseling - zonder straling (zwart) Figuur LEGOS, GRGS/OMP, CNRS Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

5. De drie krachten op het aardse klimaat Drie factoren bepalen de stralingsbalans van de aardse atmosfeer en dus de evolutie van het klimaat van de Aarde. Ze worden klimaat krachten genoemd: De Zon en haar variabele activiteit: cruciale rol als energiebron. Vulkanische activiteit: Uitbarstingen lossen sporadisch assen (aerosols) in de atmosfeer - deze verminderen enigszins het invallende zonlicht, van enkele dagen tot enkele maanden (verhoging van het albedo). Menselijke activiteit (broeikasgassen): Tijdens de 20e eeuw is de concentratie van de meeste voornoemde broeikasgassen snel gestegen door de ontwikkeling van de industriele activiteit (CO2), transport (CO2, NO2), intensieve veeteelt (CH4) en het gebruik van meststoffen(NO2). De eerste twee krachten zijn natuurlijk en het derde heet antropogeen, t.t.z. van menselijke afkomst. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

6. Een stijging van de aardse temperatuur is vastgesteld in de loop van de 20e eeuw in parallel met een stijging van de antropogene factoren. Om deze evolutie te begrijpen, moet men zich twee cruciale vragen stellen: • Wat is de verhouding van de menselijke factor ? • Wat leert ons het ‘onaangeroerde’ verleden? (voor de 19e eeuwse industriele revolutie) Om daarop te kunnen antwoorden is het noodzakelijk om over langetermijn indicatoren te beschikken (verschillende eeuwen)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

7. 3.2. Eeuwenoude variaties in de zonneactiviteit Het meest directe gegeven over de zonneactiviteit, en die het verst teruggaat in het verleden (400 jaar) is de zonnevlekkenindex Ri. Een andere indirecte meeting van de activiteit is de geomagnetische index aa, gebaseerd op metingen van geomagnetische stormen en het waarnemen van polaire aurorae. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

8. Om naar een ver verleden te kunnen extrapoleren moeten we teruggrijpen naar cosmogenische isotopen (geproduceerd door de inslag van cosmische straling en energetische zonnedeeltjes): • 14C : sediments, boomringen. Is gemakkelijk af te scheiden; wordt beinvloed door milieusfactoren (plantengroei)‏ • 10Be: ijsmonsters. Recent beschikbaar dankzij poolonderzoeken (Antarctica). Deze indirecte indices moeten geijkt worden op de Rireeks gedurende de 3 tot 4 eeuwen waarvoor deze index beschikbaar is. Het is dan mogelijk, via deze isotopen, om verschillende duizenden jaren terug te keren in het verleden. Gezien de redelijk lange verblijfperiode van deze isotopen voor afzetting (30-40 jaar), ontstaat er echter een afvlakking van de cyclus van 11 jaar. Men bekomt enkel de globale amplitudes. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

9. Dankzij deze techniek is er een langere periode zonder zonnevlekken ontdekt, tussen 1650 en 1710, het minimum van Maunder geheten, en dat overeenkomt met een periode met kouder klimaat in Europa (zie volgend punt). Eddy 1976, 1988 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

10. Maximum middeleeuwen Spörer Maunder Dalton Zon en klimaat: grote minima (- 1000 jaar) Andere periodes zijn naar voor gebracht: • Groot middeleeuws maximum: 1000 -1450 (colonisatie van Groenland door de Vikings)‏ • Minimum van Spörer: 1450 - 1550 • Minimum van Maunder: 1650 - 1710 • Klein minimum van Dalton: 1800 - 1820 Van midden19e eeuw tot midden 20e eeuw vertoont de zonneactiviteit een redelijk uniforme stijging. De sterkste cyclus over 4 eeuwen had zijn maximum in 1958. Fröhlich & Lean 2004 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

11. 3.3. Reconstructie van het vroegere klimaat Meteorologische metingen zijn slechts beschikbaar sinds 150 jaar. Zoals voor de Zon is het dus nodig om het klimaat te reconstrueren via indirecte indices. De volgende reeks van bronnen wordt gebruikt: • Historische gegevens (kronieken), • Koralen (Calciumcabonaat): isotoop 14C, • Gefossiliseerde Pollen – stuifmeel (afzetting), • Boomringen (isotoop 14C), • Afzetting in oceanen en meren: fossielen, chemische samenstelling, • Uitbreiding van gletsjers (over 7000 jaar), • Ijsstalen (stof/gruis, luchtbel) laten ons toe om tot -220 000 jaar terug te keren: • Verhouding van isotopen 16O/18O (verdampingsverhouding van water)‏ • Relatieve hoeveelheid van CO2 en CH4. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

12. De voornaamste klimaatindicator is de temperatuuranomalie (voornamelijk van de noordelijke hemisfeer), t.t.z. reconstructie van de vroegere gemiddelde temperatuurvariaties t.o.v. de huidige waarden. Vergelijking met indirecte indicatoren van zonneactiviteit (10Be) tonen aan dat er een goede overeekomst bestaat tussen het niveau van zonneactiviteit en de gemiddelde temperatuur op aarde, over een periode van verschillende eeuwen. Groveman & Landsberg 1979, Jones et al. 1986 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

13. Niettegenstaand, vanaf 1900 lijkt de temperatuur sneller te stijgen dan de paralelle verhoging van de zonneactiviteit. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

14. Wanneer we de evolutie van de 3 ‘krachten’ vergelijken met de temperatuur (NH), stellen we vast: • Een positieve en matige correlatie met de invloed van de Zon, redelijk uniform in het verleden • Een negatieve en lichte correlatie met de ‘stoflaag-index’ (‘DVI’) te wijten aan vulkanen, en constant in de tijd. • Een hogere correlatie (50 tot 60%) met de concentratie aan CO2, die zich omkeert in het midden van de 19e eeuw (begin van de industrialisatie)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

15. De huidige syntheses tonen dus een goede correlatie tussen het klimaat en de zonneactiviteit, voor 1900. Daarentegen, na 1900 vooral na 1980, kan de steeds sneller stijgende temperatuur niet meer verklaard worden door een overeenkomstige variatie van de zonneactiviteit. De impact van de menselijke activiteit is dus duidelijk vastgelegd. Dit effect moet echter nog gekwantificeerd worden, en dus ook het fysische mechanisme van de zonne-invloed, dat blijft werken, maar nu vermengd is met het antropogeen effect. Global Warming Art Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

16. 3.4. Modulatie van het zonlicht De meest directe invloed op het aards klimaat is zonlicht. Onderzoek heeft zich dus vooral, tot voor kort, geconcentreerd op de variaties van deze straling. Recente metingen tonen niettemin dat deze variaties slechts een heel kleine amplitude vertonen in de golflengtes die het meeste visuele zonlicht bevatten (200 tot 3000 nm): < 10-3 (zie hoofdstuk « Zon »)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

17. Op basis van de variaties van de amplitudes van de energetische belichting gemeten tijdens de laatste 2 cycli (0,1%), schat men dat de grote minima zouden kunnen overeenkomen met een maximale vermindering van 0,3% van de zonneconstante (Lean 1995). Daar de responstijd van het klimaatsysteem veel langer is dan de zonnecyclus van 11 jaar, door de thermische inertie van de oceanen, kan het klimaat slechts reageren op een langere periode van inactiviteit van de Zon. Fröhlich, 2002 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

18. Deze inertie wordt hier geillustreerd via een simulatie van de thermisch respons van de Aarde op een sinus-modulatie van het zonlicht over 11 jaar, met een amplitude van 0,1%: • Zeer zwakke amplitude: < 0,05 °C • Vertraging: 8 tot 24 maand Teneinde toch een meetbaar effect op het klimaat te bekomen, heeft men versterkende mechanismen moeten bedenken. Men heeft nog geen van deze mechanismes kunnen bevestigen: • Magnetosferische koppeling door electrische stromen (onweer)‏ • Atmosferische golven • Koppeling via de polaire winter North et al. 2003 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

19. 3.5. Modulatie van energetische deeltjes en wolken In tegenstelling tot het zonlicht is de flux van de kosmische straling sterk gemoduleerd door de variaties in de zonnewind tijdens de zonnecyclus, van 50% tot een factor 2 afhankelijk van de veronderstelde energieniveaus (zie hoofdstuk « Zon »). Lario & Simnett 2003 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

20. Kosmische straling bestaat uit deeltjes met heel hoge energie (MeV tot GeV) afkomstig van het interstellair milieu. Ze botsen met atomen in de atmosfeer op een hoogte van verschillende kilometers boven de grond, en produceren een ‘regen’ aan secundaire deeltjes. Deze deeltjes zijn de voornaamste bron van ionisatie op een hoogte van 10 tot 30 km. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

21. Flux van kosmische straling % relatief tov 1965 Globale anomalie van de lage wolkenbedekking (P > 680 HPa) in % Er is een positieve correlatie gevonden tussen de flux van kosmische straling en de globale wolkenbedekking op Aarde - resultaten bekomen aan de hand van ruimtefotos. In dit geval is de amplitude van de variatie aan kosmische straling beduidend hoger (40%) dan die van de wolkenbedekking (2 tot 3%). • Er is dus geen versterkend mechanisme nodig. Wolken dragen voor 72% bij aan het terugkaatsen van zonnestraling (albedo van de Aarde). Ze komen overeen met een negatieve bijdrage van 77 W/m2. Svensmark, 1997, Marsch & Svensmark 2000. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

22. De wolkenbedekking introduceert een wijziging van de thermische balans van de atmosfeer, met een positieve correlatie met de zonneactiviteit: • Een zwakke zonneactiviteit verhoogt de flux van kosmische straling (negatieve correlatie). • De wolkenbedekking neemt toe met de flux van kosmische straling (positieve correlatie) • Een toename van de wolkenbedekking vermindert de geabsorbeerde straling door de atmosfeer en de temperatuur op het oppervlak (negatieve correlatie)‏ De amplitude van 3% van de wolkenbedekking in respons tot de zonnecyclus, komt overeen met een variatie van de ‘kracht’ van de wolken van ongeveer 2 W/m2 , t.t.z. 0,15 % van de invallende energetische straling, een waarde vergelijkbaar met de ‘kracht’ van zonnestraling op het klimaat. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

23. 3.6. Welke natuurkundige mechanismen? Dit nieuwe mechnisme verstrekt de zonne’kracht’, en verklaart eindelijk hoe de Zon het klimaat en de oppervlaktetemperatuur beinvloedt. Teneinde dit scenario te valideren, en ook om de rol van de Zon beter te kwantificeren, rest er ons dus uit te leggen hoe de ionisatie van de kosmische straling inwerkt op de vorming van waterdruppels in de troposfeer. Dit proces wordt hieronder uitgetekend: Yu, 2002 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

24. Het bestaat uit 3 stappen: De nucleatie: de molecules komen samen en vormen klonters (aerosols). Het is bij deze stap dat de kosmische straling een rol zou kunnen spelen. Noteer dat verbindingen van zwavelzuur H2SO4, waarvan de oorsprong gedeeltelijk terug te brengen is aan uitstoten van SO2 van menselijke oorsprong (industrie), deelnemen aan dit proces, en dus een antropogeen component toevoegen. De coagulatie: de kleine deeltjes groeperen in grotere aérosols. De activatering: waterdamp condenseert rond deze kern en vergroot om uiteindelijk een druppel te vormen (wolk). Experimenten in deeltjesversnellers (CERN) worden nu ontwikkeld om dergelijke processen te simuleren in omstandigheden zoals in hoge atmosfeer. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten

25. 3.7. Besluit Het vraagteken over de evolutie van ons klimaat is hedentendage cruciaal geworden. De inzet voor onze samenleving is veelzijdig: • Landbouw en voeding • Reserves van drinkbaar water • Behoud van levende soorten • Zeeniveaus • Noden aan energie • Publieke gezondheid (migratie van ziektes)‏ Ze verzoeken om politieke beslissingen gebaseerd op het begrip en voorspellingen van de klimatologische processen (zie de IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change, UN Environment program). De voorspelling van de amplitude en de snelheid van de klimaatopwarming moet nog worden verbeterd. Het is nodig om de natuurlijke mechanismen, die het klimaat bepaalden, sinds het ontstaan van de Aarde tot ongeveer een eeuw geleden, te begrijpen. We hebben hier twee specifieke wegen besproken, voor onderzoek m.b.t. de centrale rol van de relatie Zon – klimaat: • De reconstructie van de evolutie en de lange-termijn stabiliteit van de zonnecyclus (periode voorafgaand aan de anthropogene effekten op het klimaat). • Het koppelingsmechanisme tussen de variaties van de Zon en de temperatuur op Aarde, rekening houden met straling en deeltjes. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten