In de Lauw-warm pagina wordt het woord herhaaldelijk gegeven aan Hartwig Volz die in een aantal emails op de site van John Lawrence Daly commentaar geeft over de werking van het broeikas-effect. Het zijn commentaren waarin op een heldere manier het effect van een verdubbeling van het gehalte kooldioxide in de atmosfeer wordt uiteen gezet.
Zijn bijdragen aan de broeikasdiscussie zijn voor zover ik kan nagaan, beperkt gebleven tot de beginperiode van het broeikaseffect. Dit met één uitzondering. Nog steeds kan zijn bijdrage aan de conferentie in Santa Fe (17-21 juli 2006) op internet worden teruggevonden: ‘Sea Water Emissivity – A neglected climate forcing’.
In deze bijdrage gaat hij in op het enorme effect wat een verandering van de emissiviteit (de mate van effectiviteit in het uitstralen van energie als warmtestraling) van oceaanwater heeft voor het klimaat. Hij komt in deze lezing met de hypothese dat de windsnelheid een duidelijke invloed heeft op de emissiviteit van oceaanwater.
Immers, wanneer men uitgaat van een simpele toepassing van de Wet van Stefan–Boltzmann, geeft Volz te kennen, dan moet, in plaats van uit te gaan van een ‘black-body’ (wat bij de benadering van het stralingsgedrag van de Aarde gebruikelijk is), uit worden gegaan van een ‘grey-body’ waarin dus ook energie door het lichaam wordt opgenomen en niet alleen wordt uitgestraald.
Dan geldt de stralingsformule per oppervlakte E = εσT4, waarin ε staat voor emissiviteit, σ voor de Stefan-Bolzmann constante (5,67* 10-8 W/(m2*K-4) en T voor de temperatuur (in Kelvin)).
Volgens Volz zou je dan bij een windsnelheid van 15 m/s ( ε = 0,96) een gemiddelde uitstraling krijgen van 374,1 W/m2, terwijl een windsnelheid van 0 m/s (ε = 0,93) ‘slechts’ een uitstraling van 363,0 W/m2 geeft. Bij een lage windsnelheid (als gevolg van de verandering van de emissiviteit) blijft er dus meer energie op aarde blijft. Het effect levert een verschil op van 11,1 W/m2, ofwel bij een evenwichts-straling een temperatuurverschil van meer dan 2 graden Kelvin (dit is fors meer dan de ongeveer 3,4 W/m2 die een verdubbeling van het kooldioxide gehalte met zich meebrengt).
Het is dus niet vreemd dat Volz hier naar het stralingsgedrag van water kijkt. Een kleine verandering van de emissiviteit van water heeft een enorm temperatuur-effect, die binnen een korte termijn realiseerbaar zijn, wat ook nodig is om klimaatveranderingen, zoals we die in het verleden hebben plaats gevonden en ook die we momenteel beleven, mogelijk te laten zijn.
Een dergelijk groot effect zou natuurlijk ook zichtbaar moeten zijn in de ontstaansgeschiedenis van het klimaat van de Aarde. En dat is ook zo volgens Volz.
Hij demonstreert het effect aan de hand van de volgende figuur en passages uit het artikel „Aerosol concentrations over the last climatic cycle (160 kyr) from an Antarctic ice core“, De Angelis, M. et al., Nature, 325, 318-321 (1987).
De inverse relatie tussen temperatuur en stof kan, volgens Volz, vervolgens verklaard worden aan de hand van de volgende passages uit het artikel van De Angelis:
“It has been proved that the LGM (Last Glacial Maximum dust) concentration peak was … of aeolian origin.
We estimate the upper limit of wind speed: …A progressive increase of 7-10 m*s-1 could account for the background variation, and a further increase of 1.5-3 m*s-1 could account for the mean peak values.”
Waaruit de volgende conclusie wordt getrokken:
“Not only variation in greenhouse gases and albedo, but also the increase in wind speed are the cause of positive feedbacks during glacials/interglacials via sea surface emissivity (increased IR radiation during stormy periods)”
De bewijsvoering wordt verder uitgebreid met de conclusies van de uitgebreide studie van Kennett, J.P. and L.C.Peterson, „rapid climate change: ocean responses to earth system instability in the late quaternary“, JOIDES 28, 5-9, (2002). In dit onderzoek wordt de correlatie van temperatuur proxies van verschillende boorproeven wordt onderzocht in Groenland (Arctica, Atlantic), Bermuda Rise (Northern Subtropics, Atlantic), Cariaco Basin, Offshore Venezuela (Tropics, Atlantic), Santa Barbara Basin, Offshore California (Northern Subtropics, Pacific). De auteurs komen tot de volgende conclusie:
„…a completely unexpected discovery that implicates the ocean as a source of major feedbacks that serve to reinforce or amplify the climatic shifts.
Furthermore, the remarkable similarities in short-term climate behavior between such geographically distant regions argue strongly for synchronous teleconnections via the atmosphere as a mechanism for promulgating such rapid climate change. Of course, these discoveries beg the question of ultimate cause – understanding the feedbacks and linkages within the global system that create such abrupt climate change represents one of the major current challenges in earth science.“
In de studie van Desser en Blackmon (1995) wordt vervolgens nog eens verduidelijkt: .the high ssNa proxy (annotation Volz: higher wind speed) for deep Icelandic Low is strongly correlated to 4–6 year lagged cold SST in the North Atlantic consistent with previously described ocean-atmosphere associations.”
Volgens Volz kan dit maar op een oorzaak wijzen: “the effect to be expected by physics: higher pressure differences ->higher wind speed -> higher waves ->higher oceanic emissivity -> cooling (and vice versa), with the cooling being measurable after some years only.”
Het verband was onmiskenbaar, zo bleek ook uit de studie van Meeker, L.D. and P.A. Mayewski (2002): “weakened Icelandic low and weakened Siberian high during Medieval Warm Period (low wind speed) strengthened Icelandic low and strengthened Siberian high during Little Ice Age (high wind speed) correlation with solar forcing.”
Op basis van dit alles besluit Volz zijn lezing met de volgende conclusies:
“From physical data generated in the context of satellite “remote sensing” it can be shown that wind dependent sea water thermal emissivity is a dominating climate parameter, also in comparison with anthropogenic atmospheric greenhouse gas and aerosol concentrations. The importance of this parameter can be traced and clearly identified in paleoclimatological as well as neoclimatological records.
Disregard of sea surface emissivity leads to unrealistically high climate sensitivities when these are derived from climate history matches. By positive feedback mechanisms sea water emissivity characteristically contributes as an amplifier to natural climate fluctuations (glacial / interglacial; other cycles, possibly of solar origin).
Sea water emissivity amplified the solar influence on climate during medieval warm period and little ice age.”
Recent onderzoek
Het onderzoek van Konda et al. (Measurement of the Sea Surface Emissivity, 1994) zou eigenlijk het theoretische kader van Volz moeten onderbouwen. In dit onderzoek werd de emissiviteit van zeewater bestudeerd, onder andere door te kijken naar variabelen zoals een veranderlijke windsnelheid.
Probleem is, dat gebeurde niet. Figuur 5 uit dit onderzoek spreekt wat dat betreft voor zich:
Uit dit onderzoek blijkt dat de emissiviteit van oceaanwater een betrekkelijk constante waarde heeft van 0,984 ± 0,004.
Hiermee ontvalt eigenlijk de basis aan de bespiegelingen van Volz. Daarnaast is het op zijn minst twijfelachtig om op basis van plaatselijke harde wind een emissiviteit-factor aan de hele oceaan oppervlakte toe te kennen. Maar moeten de verbanden die Volz aan het licht bracht dan ook allemaal naar de prullenbak worden verwezen?
Modificatie
Ik ben ervan overtuigd dat dit niet nodig is wanneer een aantal tussenstappen worden genomen, nl.
a) door te kijken naar een ander effect van een aflatende gemiddelde windsnelheid en
b) het onderzoek te beperken tot voor het klimaat cruciale plaatsen.
Voor een nadere onderbouwing is het dan ook zinvol om te kijken naar ontwikkelingen die zich voordeden tijdens de overgang van de laatste keer tijdens de laatste ijstijd dat ijskappen het grootst waren, het Last Glacial Maximum (tussen 15-14.00 jaar geleden).
Uitgestrekte ijskappen bedekten toen een groot deel van Noord-Amerika, Noord-Europa en Azië en dit had uiteraard een forse invloed op het klimaat van de aarde, gekenmerkt door droogte, woestijnvorming en een grote daling van de zeespiegel.
Het einde van deze tijd wordt gemarkeerd door een stijging van de zeespiegel, die ongeveer 14.500 jaar geleden begon.
De gemiddeld hoge windsnelheden (die zich, zoals Volz terecht opmerkt, zich verraden door een forse depositie van stof) zullen ook een aanzienlijk effect hebben gehad op de ontwikkeling van het leven in de Noordelijke zeeën en oceanen. Ontwikkeling van grote populaties micro-organismen, zoals algen, gaat slecht onder deze omstandigheden. Algenbloei is iets wat vraagt om lage windsnelheden. Iets wat ook werd geconstateerd in de geologische onderzoeken van de sedimentslagen van deze tijd.
Echter, rond het 14.000 jaar geleden veranderde er iets in het Noorden van de grote oceaan. Plotseling kon een forse groei plaats van micro-organismen worden geconstateerd. Een gebeurtenis die als de North Pacific productivity spike bekend werd.
De klimatologische omstandigheden die jarenlang groei van micro-organismen tot een minimum hadden beperkt (ijs, harde wind) veranderden blijkbaar in het Noorden van de Grote Oceaan, waardoor een enorme algenbloei (zes keer het huidige niveau) mogelijk werd. Gesuggereerd werd (bijvoorbeeld in het onderzoek Transient stratification as the cause of the North Pacific productivity spike during deglaciation, Lam et al. 2013) dat de eerder onbereikbare nutrienten, in combinatie met de afspoeling van helder smeltwater, voor deze plotselinge groei zorgde. De rol van de wind wordt verder in het onderzoek niet besproken, maar duidelijk is dat deze flink moet zijn afgenomen in deze periode, wat ook blijkt uit de geringe stofafzetting in deze periode.
Maar onder dergelijke omstandigheden kan een verandering van de emissiviteit van het oceaanwater plotseling wel een rol spelen. Onderzoek van Van Alstyne en Olson uit 2014 (Estimating variation in surface emissivities of intertidal macroalgae using an infrared thermometer and the effects on temperature measurements) laat namelijk zien dat algenbloei wel degelijk kan zorgen voor een (forse) verandering van de emissiviteit van het water.
Algenbloei kan dus zorgen voor een ‘warme zone’ binnen het homogene oceaan-gebied. In een aantal recente blogs (zie link, link en link) ben ik ingegaan op de enorme opmars van het ‘Sargassum horneri’, een bruine macroalgensoort die inmiddels “duivelskruid” wordt genoemd. Een plaag voor de toeristische stranden van het Carabisch gebied, maar waarschijnlijk ook voor het West Europees klimaat.
In deze eeuw is het aantal “dead zones”, waar, dankzij een enorm fosfaatoverschot geen zeeleven meer mogelijk is, vertienvoudigd. Het stimuleren van algengroei bleek geen onverdeeld succes op te leveren in de strijd tegen kooldioxide.
Het is natuurlijk wel zo dat waarschijnlijk niet alleen de toename van fosfaatbemesting algenbloei veroorzaakt. In het ELME rapport (Europese Leefstijlen en Mariene ecosystemen) concentreert zich ook op overbevissing, chemische vervuiling en habitatverlies als oorzaken voor de massale algenbloei. Overbevissing treft op dit moment al meer dan 30 procent van de wereldzeeën volgens het FAO-rapport “State of world fisheries and aquaculture” uit, 2020.
Hoe dan ook, het is duidelijk dat algenbloei een steeds groter probleem lijkt te worden met grote uitstralingseffecten.
Zo zal de problematiek van de Golf van Mexico, net zoals die van de Sargassozee, zonder twijfel invloed hebben op de warme golfstroom en die van het semi-permanente hogedrukgebied bij de Azoren, wat dus weer zijn weerslag heeft op het West-Europese klimaat.
