Boven ons wordt het warmer, en nog hoger juist kouder

Elke nacht stijgt in De Bilt een weerballon op. Onder de ballon hangt een radiosonde. Die stuurt tijdens de klim tot zo'n 30 kilometer hoogte elke seconde de temperatuur, de luchtdruk, de vochtigheid en de wind door. De reeks begint eind jaren veertig. Daarmee is het de langste meetreeks van de vrije atmosfeer die we in Nederland hebben.

Ook op 5 kilometer hoogte bijna 2 graden warmer

De temperatuur op het 500 hPa-niveau, ongeveer 5,5 kilometer hoog, schommelt flink van maand tot maand, soms meer dan vier graden (afbeelding 1). Toch steekt de trend er duidelijk bovenuit: gemiddeld 0,26 °C opwarming per tien jaar over de hele periode van 1950 tot nu (onzekerheidsmarge 0,19 tot 0,32 °C). Sinds 1950 komt dat neer op bijna twee graden. De warmste jaren in de reeks zijn allemaal recent.

De temperatuur trend is afhankelijk van de hoogte (afbeelding 2). Dat geldt zowel voor de ballonmetingen als voor ERA5, een reconstructie van het weer met behulp van alle beschikbare waarnemingen gecombineerd met het weermodel van het Europese centrum ECMWF. Van vlak boven de grond tot zo'n 7 kilometer hoogte warmt de lucht op met 0,3 tot 0,4 °C per tien jaar sinds 1980. Hoger neemt de opwarming af. Rond 230 hPa, op 10 à 11 kilometer, gaat de trend door nul. Daarboven koelt het af, en hoe hoger, hoe sterker: van ongeveer –0,2 °C per tien jaar op 16 kilometer tot ruim –0,5 °C op 24 kilometer.
Het omslagpunt verschuift met de seizoenen. In de zomer ligt het hoger (rond 230 hPa) dan in de winter (280 hPa). Het volgt daarmee de tropopauze, de grens tussen troposfeer en stratosfeer, die in de zomer hoger ligt. In de winter zijn de trends onzekerder, omdat de natuurlijke variatie dan veel groter is. Opvallend is ook dat in de zomer de opwarming dichter bij de grond het sterkst is: ruim een halve graad per tien jaar.

In de troposfeer wordt de lucht van onderaf verwarmd. Zonlicht warmt het aardoppervlak op, en stijgende lucht mengt die warmte omhoog. De aarde raakt haar warmte kwijt door warmtestraling naar de ruimte. Die straling vertrekt grotendeels vanaf een paar kilometer hoogte. Meer CO₂ maakt de lucht minder doorzichtig voor die warmtestraling, waardoor ze vanaf hogere en dus koudere lagen vertrekt. De aarde straalt dan minder uit dan ze opneemt en warmt op, van de grond tot aan de tropopauze.
In de stratosfeer werkt het anders. Daar is nauwelijks verticale menging van warmte door luchtsttromingen en bepaalt de balans tussen opgenomen zonnestraling en uitgestraalde warmte de temperatuur. Ozon wordt opgewarmd door ultraviolet zonlicht, en CO₂ straalt warmte uit. Extra CO₂ maakt de stratosfeer een efficiëntere radiator, terwijl er nauwelijks extra warmte binnenkomt. Het resultaat is afkoeling. Vergelijk het met een dikkere deken: daaronder wordt het warmer, maar de buitenkant van de deken wordt juist kouder.

Een vingerafdruk

Dit patroon is een vingerafdruk van broeikasgassen. Als de zon feller was gaan schijnen, zou ook de stratosfeer opwarmen. Opwarming beneden en afkoeling boven wijzen dus op een veranderd broeikaseffect door de uitstoot van CO2 die vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen. Klimaatwetenschappers voorspelden dit al in de jaren zestig, lang voordat het gemeten kon worden. In de onderste stratosfeer heeft ook de afbraak van ozon in de jaren tachtig en negentig bijgedragen aan de afkoeling.

Kanttekening

Een lange ballonreeks is niet vanzelf een homogene reeks. Door de jaren heen zijn radiosondes en correctiemethoden meerdere keren veranderd, en dat kan kunstmatige sprongen veroorzaken. ERA5 corrigeert daar deels voor, maar gebruikt ook dezelfde ballonmetingen, dus de twee bronnen zijn niet onafhankelijk van elkaar. Dat ze zo goed overeenkomen geeft vertrouwen, maar over de precieze getallen rond de tropopauze blijft onzekerheid. Het patroon zelf is robuust: warmer beneden, kouder boven.

KNMI-klimaatbericht door Frank Selten