Svante Arrhenius
De toename van de temperatuur als gevolg van stijgende CO2-concentraties werd al geopperd in 1896 door Svante Arrhenius. Hij voerde berekeningen uit om de temperatuurveranderingen tussen ijstijden en interglacialen aan de hand van fluctuaties in de CO2 concentraties af te schatten. Hoewel hij de gevoeligheid van het klimaat voor CO2 met een factor twee overschatte (Arrhenius, 1896), toonde hij als eerste het logaritmische verband tussen de stijging van CO2 en temperatuur aan. Arrhenius was zich bewust van het feit dat de CO2 concentratie in de atmosfeer toenam door menselijke activiteiten. Hij benadrukte hiervan de positieve aspecten, zoals het voorkomen van een volgende ijstijd en toenemende gewasopbrengsten om de groeiende wereldbevolking van voedsel te voorzien.

Ontwikkeling en gebruik van modellen
De huidige klimaatmodellen stellen ons in staat om de oorzaken van klimaatveranderingen in het verleden te verklaren en om de karakteristieken van toekomstige klimaatverandering grofweg te voorspellen met een bruikbaar niveau van betrouwbaarheid.

De combinatie van waarnemingen van de afgelopen decennia, modelberekeningen en vele andere studies die veranderingen laten zien in het klimaatsysteem, heeft de klimaatwetenschappers gebracht tot de uitspraak dat het voor meer dan 90% zeker is, dat door de mens uitgestoten broeikasgassen het merendeel van de opwarming sinds 1950 hebben veroorzaakt (IPCC, 2007). Ook is het zeer waarschijnlijk dat deze opwarming door een verdere stijging van broeikasgasconcentraties zal doorzetten. Hoeveel warmer het precies wordt, is afhankelijk van de toekomstige uitstoot van broeikasgassen zoals CO2 en methaan, die als ‘input’ fungeren voor klimaatmodellen. Tevens is de mate van opwarming afhankelijk van de gevoeligheid van het klimaat voor de toevoeging van meer broeikasgassen aan de atmosfeer. Verschillende klimaatmodellen geven verschillende inschattingen voor deze ‘klimaatgevoeligheid’. Volgens het IPCC ligt de klimaatgevoeligheid waarschijnlijk (d.w.z. kans > 66%) tussen 2 en 4,5 0C en zeer waarschijnlijk (d.w.z. kans >90%) niet onder de 1,5 0C. Hierbij is ‘klimaatgevoeligheid” gedefinieerd als; de verwachte opwarming voor iedere verdubbeling van de CO2 concentratie in de atmosfeer.
De onzekerheid in klimaatmodellen en de toekomstige uitstoot van broeikasgassen is meegenomen in de door het IPCC geprojecteerde wereldwijd gemiddelde temperatuurstijging in 2100 van 1,1- 6,4 °C. Hierbij is verondersteld, dat geen additioneel klimaatbeleid wordt ingezet (IPCC, SPM, 2007).

In de afgelopen twintig jaar zijn er belangrijke vorderingen gemaakt in de ontwikkeling en het gebruik van klimaatmodellen. De werking van de modellen is gebaseerd op natuurkundige wetten. Voor enkele belangrijke processen die te kleinschalig zijn om expliciet te modelleren, zoals wolkenvorming, worden empirische technieken (‘parameterisaties’) gebruikt, die zijn gebaseerd op analyses van metingen. De meest geavanceerde computermodellen bevatten gedetailleerde deelmodellen van de circulaties van de atmosfeer en de oceaan. Daarnaast bevatten de modellen gedetailleerde beschrijvingen van de terugkoppelingen tussen alle componenten van het klimaatsysteem, inclusief de cryosfeer (gebieden met ijs en sneeuw) en de biosfeer (leefgebied van organismen). Klimaatmodellen zijn in staat gebleken om de hoofdkarakteristieken van het huidige klimaat te reproduceren, evenals de temperatuurveranderingen over de afgelopen honderd jaar.Het model wordt dan gevoed met historische gegevens van broeikassen, aërosolen, zonnestraling en vulkaanuitbarstingen. Ook de karakteristieken van het Holoceen (6.000 jaar geleden) en het Laatste Glaciale Maximum (21.000 jaar geleden) kunnen worden gereproduceerd (Ganopolski et al., 1998).

De eerste temperatuurprojecties van het IPCC, die in 1990 gepubliceerd werden op basis van de toen beschikbare klimaatmodellen, zaten grofweg in dezelfde range als de huidige generatie modellen. De realisatie van verdere opwarming sinds eind jaren ’80 tot nu volgt grofweg de verwachting. Dit versterkt het vertrouwen in de modellen.
Naast de mondiale oppervlaktetemperatuur zijn er nog enkele andere belangrijke modelvoorspellingen gedaan en bevestigd (zie voor meer details; IPCC, 2007, WGI):
• modellen voorspellen dat de opwarming aan het oppervlak gepaard moet gaan met een afkoeling van de stratosfeer en dit is inderdaad waargenomen;
• Modellen zijn redelijk in staat de patronen van klimaatverandering op continentale schaal te simuleren
• modellen voorspellen opwarming van het oppervlaktewater van de oceaan, zoals die nu wordt waargenomen;
• modellen voorspellen een onbalans in de energie van het binnenkomende zonlicht en die van de uitgaande infraroodstraling, deze is waargenomen;
• modellen voorspellen een scherpe en kortstondige daling van enkele tienden graad Celcius in het geval van grote vulkaanuitbarstingen, wat bevestigd werd na de uitbarsting van Mount Pinatubo in 1991 (de grootste vulkaanuitbarsting van de 20ste eeuw);
• modellen voorspellen een versterking van opwarmingstrends in Arctische gebieden en dit gebeurt inderdaad.

Met de rekenkracht van supercomputers neemt de ruimtelijke resolutie van klimaatmodellen steeds verder toe. Hierdoor worden processen die in sterke mate beïnvloed worden door gebergteketens en/of land zee contrasten, zoals (extreme) neerslag beter gesimuleerd. Voor kortere tijdsperiodes zijn hoge resolutie modellen in staat om bijvoorbeeld de ontwikkeling van orkanen correct weer te geven. Ook voor die aspecten boeken de klimaatmodellen dus geleidelijk aan vooruitgang. Het voortschrijdend inzicht inclusief de onzekerheidsmarges voor diverse aspecten van het klimaatsysteem wordt om de vijf à zes jaar door het IPCC gerapporteerd op basis van wetenschappelijke artikelen. De beoordeling van de betrouwbaarheid van klimaatmodellen neemt in deze rapportages een belangrijke plaats in.

Belangrijke tekortkomingen in klimaatmodellen

1. Kleinschalige processen
Niet alle voorspellingen van klimaatmodellen zijn even betrouwbaar. Zo zijn klimaatveranderingen op de regionale schaal onzekerder dan de mondiale veranderingen. Er is vooral onzekerheid over klimaataspecten die afhangen van meer kleinschalige processen. Dit geldt met name voor wolkenvorming, tropische neerslag, land- zowel als zeeijs en de ontwikkeling van stormen en orkanen. Ook speelt bij regionale klimaatveranderingen de veranderingen in overheersende windrichting een belangrijke rol. De relatie tussen de opwarming van de aarde en veranderingen in circulatie (van belang voor de overheersende windrichting) kan momenteel met de huidige generatie klimaatmodellen niet eenduidig bepaald worden.

2. Tegenspraak in de tropen
Een veel gehoord kritiekpunt is dat in klimaatmodellen de temperatuur in de troposfeer (de onderste laag van de atmosfeer) sneller stijgt dan aan het oppervlak. Volgens de waarnemingen door satellieten en weerballonnen zou dit andersom zijn.
In 2006 is een gedetailleerde studie uitgevoerd door het U.S. Climate Change Science Program (CCSP) (Karl, 2006), waarin is getracht onder andere op deze vraag antwoord te geven. Op basis van 49 runs van 19 verschillende klimaatmodellen bleek dat er geen tegenspraak is, voor wat betreft de wereldgemiddelde temperatuur, tussen de klimaatmodellen enerzijds en de observaties van satellieten, weerballonnen en meetstations anderzijds. De range van de modeluitkomsten overlapt grotendeels de range in de metingen in de verschillende lagen van de troposfeer en de atmosfeer. Echter, binnen vrijwel alle modellen in de tropen warmt de lage troposfeer sneller op dan het aardoppervlak, terwijl in de meeste beschikbare observatiereeksen het omgekeerde geldt. Het eerder genoemde kritiekpunt lijkt dus inderdaad te gelden voor de tropen.

3. Tropische amplificatie
Echter, op basis van theoretische overwegingen is het logisch dat vooral in de tropen de lage troposfeer sneller opwarmt dan het landoppervlak: dit wordt tropische amplificatie genoemd. Als de temperatuur in de tropen aan het oppervlak toeneemt, neemt de convectie toe en wordt er meer warme vochtige lucht (‘latente warmte’) naar de hogere troposfeer verplaatst. De latente warmte komt weer vrij bij condensatie en leidt tot extra temperatuurstijging in deze hogere troposfeer, met een maximum rond ongeveer 10 km hoogte. Volgens de meeste modellen ligt de versterkingsfactor op die hoogte rond 2.0 en volgens de theorie (de thermodynamica) zou dat zelfs 2.5 kunnen zijn (Santer et al., 2005). Het laagste gedeelte van de troposfeer dat door satellieten wordt gemeten is het gebied tot ongeveer 8 km hoogte, waarbinnen de gemiddelde tropische versterkingsfactor ongeveer 1.3 is (Santer et al.,2005).
Op maandelijkse tot jaarlijkse tijdschalen laten modellen en waarnemingen een tropische amplificatie van dezelfde orde zien. Op langere tijdschalen (meerdere decennia) laten de modellen wel een amplificatie zien, maar de waarnemingen niet.

4. Fout in de modellen of de waarnemingen?
De tegenstrijdigheid tussen modellen en waarnemingen zou verklaard kunnen worden. De genoemde amplificatie op korte tijdschalen wordt door andere fysische mechanismen gecontroleerd dan de amplificatie op lange tijdschalen. De modellen bevatten deze mechanismen niet. Het is echter niet duidelijk wat dit mechanisme zou moeten zijn. Bovendien zijn er grote onzekerheden in de waargenomen langjarige trends. Tevens is er onafhankelijk fysisch bewijs, dat er wel degelijk een versterkte opwarming plaatsvindt van de tropische troposfeer. Er is namelijk een toename geconstateerde van de hoogte van de tropopauze, het grensvlak tussen de troposfeer en de stratosfeer.
Op basis van deze overwegingen stelt het CCSP-rapport, dat het er vooralsnog op lijkt, dat de tegenstrijdigheid vooral door fouten in satelliet- en ballonmetingen van de troposfeer veroorzaakt wordt. Ze melden er echter direct bij, dat dit nog een openstaande kwestie is, die beter aangepakt kan en moet worden.

5. Overige problemen
Behalve de hier boven geschetste tekortkomingen, kennen klimaatmodellen nog andere veel voorkomende tekortkomingen. Voorbeelden zijn de onderschatting van het atmosferische energietransport richting de polen en de representatie van een stabiele grenslaag. Dit laatste zorgt er bijvoorbeeld voor dat bijna alle modellen een te warm klimaat laten zien in het Oosten van Siberië in de winter. Door de emissie van infraroodstraling vanaf het aardoppervlak en de afwezigheid van zonlicht in dit gebied treedt er een zeer sterke afkoeling op in de onderste lagen van de atmosfeer, hetgeen tot de vorming van een zeer stabiele grenslaag leidt. Deze situatie is alleen te modelleren door een hogere verticale (meer verticale atmosfeerlagen) dan momenteel haalbaar is in de huidige generatie klimaatmodellen.

Conclusie
De overeenkomst tussen klimaatmodellen en waarnemingen vormt een belangrijke aanwijzing dat het mechanisme van het versterkte broeikaseffect goed begrepen is én dat deze modellen het beste is wat we op dit moment beschikbaar hebben om te onderzoeken wat we in de toekomst kunnen verwachten. Daarnaast zijn er nog een aantal onopgeloste problemen, waaraan de klimaatwetenschap hard werkt. Deze problemen leiden in elk geval niet tot de conclusie dat klimaatmodellen onbruikbaar zijn.

Referenties:
Arrhenius, S., On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground, Philosophical Magazine and Journal of Science, 5, Vol. 41, pp. 237-276, 1896.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Fourth Assessment Report, Working Group I (WG I), Summary for Policymakers (SPM), Climate Change 2007.

Ganopolski, A., S. Rahmstorf, V. Petoukhov and M. Claussen, Simulation of modern and glacial climates with a coupled global model of intermediate complexity, Nature Vol. 391, pp. 351-356, 1998.

Karl, T.R., S.J. Hassol, C.D. Miller and W.L. Murray, Temperature Trends in the Lower Atmosphere, Steps for Understanding and Reconciling Differences, U.S. Climate Change Science Program, Synthesis and Assessment Product I.I, 1-180, 2006.

Santer, B.D., T.M.L. Wigley, C. Mears, F.J. Wentz, S.A. Klein, D.J. Seidel, K.E. Taylor, P. W. Thorne, M.F. Wehner, P.J. Gleckler, J.S. Boyle, W.D. Collins, K.W. Dixon, C. Doutriaux, M. Free, Q. Fu, J.E. Hansen, G.S. Jones, R. Ruedy, T.R. Karl, J.R. Lanzante, G.A. Meehl, V. Ramaswamy, G. Russell, G.A. Schmidt, Amplification of Surface Temperature Trends and Variability in the Tropical Atmosphere, Science, 309, pp. 1551-1556, 2005.