Radiative Forcing

De energiebalans van de aarde is in evenwicht als de uitgaande warmtestraling gelijk is aan de hoeveelheid ingevangen zonnestraling. Bij de bespreking van het broeikaseffect is aangegeven dat beide 240 W/m² zouden moeten bedragen. Radiative Forcing (RF, stralingsforcering) wordt gebruikt om de sterkte van natuurlijke of door de mens veroorzaakte processen te kwantificeren die de energiebalans van de aarde verstoren. De RF van deze processen wordt uitgedrukt in W/m² en is positief als er netto energie-accumulatie optreedt of anders gezegd: als er een onbalans in de stralingsbalans ontstaat waardoor minder straling het systeem aarde zal verlaten.

In onderstaande figuur, afkomstig uit het 4e assessment report^w van het IPCC (IPCC (2007)) is af te lezen dat de RF van CO₂ het meest positief is met 1,66 W/m². Naast de inbreng van broeikasgassen zoals CO₂, CH₄ en N₂O in de atmosfeer zijn er nog andere menselijke activiteiten die van invloed zijn op de energiebalans, de stralingsbalans, van de aarde. In haar samenvatting voor beleidsmakers (IPCC (2007)) rapporteert het IPCC deze invloeden uitgedrukt als RF. Onderstaande figuur is daarmee een samenvattend resultaat cq. overzicht van de kennis van het klimaat en de menselijke invloed daarop, zoals neergelegd in meetreeksen, modellen en hun verklaring.


Volgens de figuur zijn de belangrijkste invloeden op de aardse energiebalans:
• CO₂: de verandering van de CO₂-concentratie van ca. 280 ppm (pre-industriële revolutie) naar 380 ppm (2005)
• CH₄, N₂O (lachgas) en gehalogeneerde koolwaterstoffen: dit zijn drie gassen waarvan de concentratie in de atmosfeer door menselijke activiteiten is toegenomen
• O₃: hier wordt onderscheid gemaakt tussen ozon in de troposfeer (de lagere luchtlagen) en de stratosfeer, waar zich de ozonlaag bevindt. De hoeveelheid O₃ in de troposfeer is toegenomen, o.a. door het verkeer; stratosferisch ozon is afgenomen, wat ook bekend staat als de afbraak van de ozonlaag. Doordat ozon een broeikasgas is, resulteert dit in een positieve resp. negatieve RF
• H₂O in de stratosfeer: hier bevindt zich normaliter geen water, maar doordat CH₄ hier wordt afgebroken vindt toch toename van de H₂O-concentratie plaats
• albedo van het aardoppervlak: door veranderend landgebruik, ijs- en sneeuwbedekking verandert de albedo
• aerosolen: dit zijn kleine zwevende deeltjes in de atmosfeer die enerzijds zelf zonlicht reflecteren, anderzijds wolkvorming stimuleren
• lineaire condensatiesporen gevormd door roetdeeltjes (condensatiekernen) en water afkomstig van vliegtuigen (verbranding van kerosine)

Daarnaast is nog het effect van de wisselende zonne-instraling weergegeven. De activiteit van de zon en daarmee de hoeveelheid zonlicht die de aarde bereikt is niet constant. De zon wisselt perioden van wat grotere activiteit af met perioden van mindere activiteit. Astronomen zien meer resp. minder zonnevlekken (grote uitbarstingen van heet gas aan het zonneoppervlak) ontstaan. Als de zonneactiviteit laag is neemt ook de zonnestraling iets af.

In bovenstaande figuur is af te lezen dat de broeikasgassen een positieve RF kennen, en daarmee het broeikaseffect versterken, terwijl de verandering van landgebruik en aerosolen een negatieve RF hebben, en daarmee het broeikaseffect verzwakken. In 2007 was de consensus, op basis van de toen beschikbare kennis en gegevens, dat er een totale RF bestaat van 1,6 ± 0,8 W/m².

Uit de wet van Stefan-Boltzmann kan dan een eerste schatting berekend worden voor de nieuwe (gemiddelde) evenwichtstemperatuur:

S_{zwart lichaam} = ε · σ · T⁴

differentiëren:

dS = 4ε σ T³ · dT

delen door de oorspronkelijke vergelijking:

dS / S = 4 · dT/T

dT = dS · T / S / 4

invullen:

dT = 1,6 · 288 / 240 / 4 = 0,48 ± 0,24 K

Deze temperatuurstijging komt min of meer overeen met de stijging van het langjarig gemiddelde van de gemiddelde temperatuur op aarde sinds de metingen 157 jaar geleden begonnen. In het vijfde assessment report uit 2014 komen de wetenschappers voor 2011 uit op een hogere RF dan de hiervoor genoemde 1,6 W/m², namelijk 2,29 (1,13 - 3,33) W/m² t.o.v. het jaar 1750 (IPCC/WG1^w).

Bronnen

IPCC (2007), IPCC, 2007. Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Core Writing Team, Pachauri, R.K. and Reisinger, A. (Eds.)). IPCC, Geneva, Switzerland, 104 pp.