De energiebalans van de Aarde

We zijn inmiddels allemaal bekend met klimaatverandering, rijzende temperaturen en verhoogde concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer. Het lijkt redelijk simpel en recht door de bocht: een verhoging in de concentratie broeikasgassen leidt tot hogere temperaturen.

Maar waar komt de warmte die de broeikasgassen vasthouden eigenlijk vandaan? In dit college van de maand zal ik vertellen over de energiebalans van de Aarde, hoe het op korte termijn werkt, maar ook welke factoren op geologische tijdschalen van belang zijn.

Laten we beginnen bij het begin: de meeste energie die onze atmosfeer binnenkomt, is afkomstig van inkomende zonnestraling (figuur 1). De Zon is enorm krachtig en stoot energie uit met een korte golflengte, in het domein van ultraviolet en zichtbaar licht. De gemiddelde zonnestraling – gemiddeld over jaar en dag, de aarde draait immers rond en krijgt maar van één kant zonnestraling – die de top van onze atmosfeer bereikt heeft het een vermogen van iets meer dan 341 W/m2 (watt per vierkante meter). In de atmosfeer komt de kortgolvige straling de eerste obstakels tegen. Deeltjes in de lucht; gassen, aerosolen en wolken zorgen ervoor dat een deel van de inkomende zonnestraling gelijk weer gereflecteerd wordt de ruimte in. Andere deeltjes in de atmosfeer nemen een deel van de energie juist op. De rest bereikt het grondoppervlak. Een klein deel van de zonnestraling wordt ook hier gelijk gereflecteerd, maar het grootste deel van de energie – 161 W/m2 – wordt opgenomen door de Aarde en warmt het aardoppervlak op.

Figuur1Op Aarde wordt de warmte omgezet in langgolvige straling – in het infrarood spectrum – en een beetje voelbare en latente warmte. Er komt ook energie bij die de Aarde zelf produceert, waardoor er in totaal 396 W/m2 door het aardoppervlak wordt uitgestraald. Als al deze omgezette zonne-energie de atmosfeer ook weer zou verlaten, zou het hier jaarlijks gemiddeld -18°C graden zijn. Zo koud was het tijdens de ijstijden zelfs niet! Gelukkig wordt het grootste deel van de langgolvige straling op weg naar de ruimte geblokkeerd. Broeikasgassen, die alleen energie opnemen van straling met een lange golflengte, en wolken zorgen ervoor dat ongeveer 333 W/m2 weer terug naar de aarde straalt. Hierdoor is de uitgaande straling aan de top van onze atmosfeer minder dan wat er aan zonnestraling binnenkomt: in totaal 239 W/m2.

Door dit proces houden we een comfortabele gemiddelde temperatuur van 15°C graden op Aarde. In ieder geval, als het systeem zoals we het kennen in evenwicht is. De concentratie aan broeikasgassen is de laatste tientallen jaren behoorlijk toegenomen door menselijke activiteiten, waardoor er meer uitgaande straling wordt tegengehouden en de gemiddelde temperatuur op Aarde snel stijgt. Maar dit is niet de enige factor die effect heeft op de energiebalans.

Variatie in de inkomende zonnestraling, reflectiviteit van het aardoppervlak, en input van aerosolen door bijvoorbeeld vulkaanuitbarstingen hebben allemaal effect op verschillende onderdelen in het systeem. Zo varieert op korte tijdschaal de inkomende zonnestraling aan de hand van een 11-jaarlijkse cyclus van zonnevlekken. Zonnevlekken zijn donkere, relatief koude gebieden op het oppervlak van de Zon. In periodes met een verhoogde hoeveelheid zonnevlekken straalt de zon meer energie uit. Het verschil in zonnestraling is een kleine fractie van het totaal, maar toch is het effect ervan terug te zien in klimaatschommelingen op Aarde.

Op geologische tijdschalen worden variaties in inkomende zonnestraling veroorzaakt door veranderingen in de baan van de Aarde om de Zon. In de vorige eeuw stelde de wetenschapper Milutin Milankovitch vast dat dit op drie manieren gebeurt; veranderingen in excentriciteit, obliquiteit en precessie (figuur 2). Deze cycli bepalen niet alleen hoeveel zonnestraling de Aarde bereikt, maar ook hoe deze verdeeld wordt over de Aarde gedurende de verschillende seizoenen.

Figuur2Excentriciteit bepaalt hoe ellipsvormig de baan van de Aarde om de Zon is. Op een tijdschaal van 100.000 jaar veranderd de baan van nagenoeg rond naar ligt elliptisch en weer terug naar rond. Wanneer de ellips op zijn grootst is, verschilt de inkomende zonnestraling maar liefst 23% tussen het perihelium – wanneer de Aarde het dichtst bij de Zon staat – en aphelium – wanneer de Aarde het verst van de Zon staat. Momenteel is de baan nagenoeg helemaal rond en het verschil in zonnestraling tussen perihelium en aphelium niet zo groot: maar 6,8%.

Obliquiteit bepaalt de hoek die de aardas maakt ten opzichte van het vlak waarop de Aarde om de Zon draait. Deze hoek varieert tussen de 21,1° en 24,5° over een periode van 41.000 jaar. Momenteel maakt de aardas een hoek van 23,4° en wordt deze steeds iets kleiner. Dit heeft effect voor waar de Zon loodrecht op de aarde schijnt – gemarkeerd door de keerkringen – en heeft gevolgen voor de seizoenen op aarde. Hoe groter de obliquiteit, hoe sterker de seizoenen: warmere zomers en koudere winters.

Precessie bepaalt de richting van de Aardas en laat een cyclus zien van zo’n 23.000 jaar. Zo wijst de aardas momenteel naar de Poolster in het noorden en het Zuiderkruis in het zuiden, maar over 10.000 jaar zal deze in een hele andere richting staan. Precessie en excentriciteit werken sterk met elkaar samen. Bij een ellipsvormige baan bepaald precessie namelijk welk halfrond er richting de zon gekeerd is op het moment dat de Aarde het dichtst bij de Zon staat, daardoor meer zonnestraling ontvangt, en een warmere zomer heeft. Momenteel staat de Aarde in het perihelium gedurende de winter op het Noordelijk halfrond.

De cycli hebben een veel groter effect op ons klimaat dan de 11-jarige zonnevlekken-cyclus. Voor de laatste drie miljoen jaar op aarde hebben ze voor de afwisselingen tussen ijstijden en interglacialen gezorgd. Hierbij was eerst de 41.000-jarige cyclus van obliquiteit dominant, maar vanaf 800.000 jaar geleden was excentriciteit de dominerende cyclus. Omdat Milankovitch de link legde tussen de variatie van de baan van de Aarde, zonnestraling en de ijstijden, worden de cycli nu de Milankovitch cycli genoemd.

Referenties:
• Bonan, G. (2016): Ecological Climatology (3rd edition). Cambridge University Press, New York.
• Trenberth, K. E., Fasullo, J. T., & Kiehl, J. (2009). Earth's global energy budget. Bulletin of the American Meteorological Society, 90(3), 311-324.