Climate Change: the physical science basis
1. Basics van het klimaatsysteem
Verschil weer en klimaat
Weer = atmosferische conditie, op een gegeven tijdstip en plaats
- Gaat over 1 component, nl. de atmosfeer: conditie atmosfeer op een bepaalde tijd/plaats
- Meetbaar via windsnelheid, vochtigheid, wolken, luchtdruk…
- Heel chaotische want atmosfeer is complex → “Lorenz butterfly”: “als een vlinder met zijn vleugels klapt in de
Amazone zou dit tot een storm kunnen leiden op een andere plaats
- Kan niet meer dan 10 tot 14 dagen voorspeld worden
Klimaat = gemiddelde van het systeem over een langere periode, meestal 30 jaar
- = de statistiek van het weer
- Makkelijker om te modelleren en projecteren
- Meerdere componenten: atmosfeer, oceaan, zeeijs…
5 componenten van het klimaat
- Atmosfeer: lucht boven ons
- Hydrosfeer: al het water op het wateroppervlak
- Biosfeer: al de levende organismen
- Litosfeer: korst waarop we leven
- Cryosfeer: al het bevroren water in zijn verschillende vormen op
aardoppervlak
➔ Interageren allen met elkaar
Het klimaatsysteem van de Aarde
Complex want dus verschillende interacties
Moet wetten van fysica gehoorzamen
- Conservatie van energie
- Conservatie van massa
- Conservatie van momentum
Dubbele pijlen = feedbacks
Stralingsbalans van de Aarde
Inkomende straling = uitgaande straling
➔ Conservatie van energie
- Links: inkomende straling
Q = straling van de zon
Alfa = albedo = fractie van inkomende zonnestraling die terug naar ruimte wordt gereflecteerd
- Rechts: straling van de Aarde naar de ruimte
Volgens Stefan Boltzmann wet: black body radiation
o: Boltzmann constante
e: emissie van de atmosfeer = maat voor broeikaseffect van de atmosfeer
o ongeveer 60% → licht dat naar buiten gaat
o 40% wordt geabsorbeerd door atmosfeer
T: gemiddelde globale temperatuur = de enige variabele
1 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
,Gemiddelde globale temperatuur
- Variabele
- Hoe T veranderen?
Q veranderen: meer/minder instraling
Albedo veranderen
Emissie veranderen = grootste effect
- Momenteel: 15°C
- Zonder epsilon, dus geen broeikaseffect → aarde wordt frozen Earth
want geen atmosfeer meer die thermale radiatie bijhoudt
Het broeikaseffect
- T Aarde zonder broeikaseffect: - 19°C
- T Aarde met broeikaseffect: + 15°C
Radiatie vanuit zon:
➔ Reflecteert
➔ Absorbeert door atmosfeer via broeikasgassen
➔ Straalt terug naar ruimte
Zonder atmosfeer = leven NIET mogelijk!
Absorptiespectrum van broeikasgassen
- Smooth lines : Plank curves van straling van de aardoppervlak
voor een specifieke T
- Sommige golflengtes gaan door zonder geabsorbeerd te
worden, anderen net wel
H2O absorbeert het meest
o Meest belangrijk broeikasgas, maar zit wel in
klimaatsysteem
CO2: absorbeerd enkel piek van curve
o Iets dat wij vooral toevoegen
O3 (ozon): maar een klein deel van spectrum
Waterdamp is een feedback, niet door de mens toegevoegd
➔ Hoe warmer de atmosfeer, hoe meer water het kan bevatten
Effect van CO2-concentratie verdubbeling
➔ Meer thermale radiatie wordt vastgehouden → uitgaande straling verlaagd → meer netto inkomende straling
➔ Balans wordt hersteld: T wordt verhoogd met maar 1,2°C = climate sensitivity
2 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
,2. Veranderingen in antropogene en natuurlijke drijfveren (Wat zijn de oorzaken?)
Veranderingen in atmosferische concentraties
- CO2: verbranding fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas), productie van cement en ontbossing
- CH4 (methaan): agricultuur afval, koeien, rijst
- N2O: mest (livestock), door fertilizers te gebruiken (microben?)
➔ Door mensen gecontroleerd
➔ Vanaf 1800 beginnen stijgen
➔ Nu bijna +50% CO2!
➔ 2021: 415 ppm CO2
Heel uitzonderlijk: men moet minstens 2 miljoen jaar terug in tijd gaan om periode met meer dan 400 ppm
te vinden!
Vooral door verbranding fossiele brandstoffen
o Verbrandt in atmosfeer → zuurstof voor nodig → daalt dus ook!
Carbon cycle
o Antropogeen CO2 komt in atmosfeer terecht: 86%
o 46% blijft in atmosfeer zitten
o 31% gaat naar planten
o 23% in oceaan
o Onevenwicht van 0,4% → planten/oceanen kunnen niet bijbenen
Rol van aerosol
= zwevende deeltjes in lucht
- Andere drijfveer van klimaatverandering
- = air pollution: door biomassa en fossiele brandstoffen
te verbranden
- 2 effecten:
Stijging van reflectiviteit van Aarde: minder
geabsorbeerd
o Verstrooiing en absorptie van korte en lange
golflengtes
Verbetert de wolken
= koelingseffect (i.t.t. broeikasgassen = verwarmingseffect)
- Wel maar een korte levensduur: max paar jaar (i.t.t. broeikasgassen = eeuwen)
- Dus lijkt negatief te zijn, maar heeft dus positief effect
Radiative forcing of the climate
→ zon werd iets zwakker
3 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
, ➔ Meer een energieprobleem dan een klimaatprobleem want 71% van Antropogene activiteiten komt door
verbranding van fossiele broeikasgassen
Erna in veel mindere mate, elke rond 5%: cement, rijst, land-use, dierlijke mest…
3. Observaties van veranderingen in het klimaatsysteem: temperatuur
Stijging globale gemiddelde oppervlaktetemperatuur
- T van 1880 tot 2020: +1,1°C
- Sinds 1980 is elke decennium warmer dan vorige
- Warmste jaar in 2016 en 2020
- 20 vd 21 warmste jaren sinds 1880 allemaal in 21 ste eeuw!
- Op land grotere temperatuurstijgingen dan in oceaan → dus op land meer dan +1,1°C → daar: +2,5°C
(Brussel)
Hockey stick curve
- Hoe uitzonderlijk is deze temp. stijging? → laatste 2000 jaar niet gemeten
- Snelheid van stijging sneller dan ooit → hockey stick curve
- T wss hoogste sinds 125 000 jaar geleden
4. Hoe kunnen we het verklaren? Link tussen oorzaken en effecten?
➔ Bewijs nu dat veranderingen in atmosfeer door antropogene oorzaken zijn!
➔ D.m.v. modellen
➔ Het is onweerlegbaar dat mensen verantwoordelijk zijn!
Mensen (broeikasgassen + aerosol) en natuurlijke drijfveren op grafiek (zwarte lijn = T):
➔ +1,1°C komt duidelijk door mens (broei + aer) → want natuurlijke effecten alleen hebben GEEN netto effect
4 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
1. Basics van het klimaatsysteem
Verschil weer en klimaat
Weer = atmosferische conditie, op een gegeven tijdstip en plaats
- Gaat over 1 component, nl. de atmosfeer: conditie atmosfeer op een bepaalde tijd/plaats
- Meetbaar via windsnelheid, vochtigheid, wolken, luchtdruk…
- Heel chaotische want atmosfeer is complex → “Lorenz butterfly”: “als een vlinder met zijn vleugels klapt in de
Amazone zou dit tot een storm kunnen leiden op een andere plaats
- Kan niet meer dan 10 tot 14 dagen voorspeld worden
Klimaat = gemiddelde van het systeem over een langere periode, meestal 30 jaar
- = de statistiek van het weer
- Makkelijker om te modelleren en projecteren
- Meerdere componenten: atmosfeer, oceaan, zeeijs…
5 componenten van het klimaat
- Atmosfeer: lucht boven ons
- Hydrosfeer: al het water op het wateroppervlak
- Biosfeer: al de levende organismen
- Litosfeer: korst waarop we leven
- Cryosfeer: al het bevroren water in zijn verschillende vormen op
aardoppervlak
➔ Interageren allen met elkaar
Het klimaatsysteem van de Aarde
Complex want dus verschillende interacties
Moet wetten van fysica gehoorzamen
- Conservatie van energie
- Conservatie van massa
- Conservatie van momentum
Dubbele pijlen = feedbacks
Stralingsbalans van de Aarde
Inkomende straling = uitgaande straling
➔ Conservatie van energie
- Links: inkomende straling
Q = straling van de zon
Alfa = albedo = fractie van inkomende zonnestraling die terug naar ruimte wordt gereflecteerd
- Rechts: straling van de Aarde naar de ruimte
Volgens Stefan Boltzmann wet: black body radiation
o: Boltzmann constante
e: emissie van de atmosfeer = maat voor broeikaseffect van de atmosfeer
o ongeveer 60% → licht dat naar buiten gaat
o 40% wordt geabsorbeerd door atmosfeer
T: gemiddelde globale temperatuur = de enige variabele
1 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
,Gemiddelde globale temperatuur
- Variabele
- Hoe T veranderen?
Q veranderen: meer/minder instraling
Albedo veranderen
Emissie veranderen = grootste effect
- Momenteel: 15°C
- Zonder epsilon, dus geen broeikaseffect → aarde wordt frozen Earth
want geen atmosfeer meer die thermale radiatie bijhoudt
Het broeikaseffect
- T Aarde zonder broeikaseffect: - 19°C
- T Aarde met broeikaseffect: + 15°C
Radiatie vanuit zon:
➔ Reflecteert
➔ Absorbeert door atmosfeer via broeikasgassen
➔ Straalt terug naar ruimte
Zonder atmosfeer = leven NIET mogelijk!
Absorptiespectrum van broeikasgassen
- Smooth lines : Plank curves van straling van de aardoppervlak
voor een specifieke T
- Sommige golflengtes gaan door zonder geabsorbeerd te
worden, anderen net wel
H2O absorbeert het meest
o Meest belangrijk broeikasgas, maar zit wel in
klimaatsysteem
CO2: absorbeerd enkel piek van curve
o Iets dat wij vooral toevoegen
O3 (ozon): maar een klein deel van spectrum
Waterdamp is een feedback, niet door de mens toegevoegd
➔ Hoe warmer de atmosfeer, hoe meer water het kan bevatten
Effect van CO2-concentratie verdubbeling
➔ Meer thermale radiatie wordt vastgehouden → uitgaande straling verlaagd → meer netto inkomende straling
➔ Balans wordt hersteld: T wordt verhoogd met maar 1,2°C = climate sensitivity
2 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
,2. Veranderingen in antropogene en natuurlijke drijfveren (Wat zijn de oorzaken?)
Veranderingen in atmosferische concentraties
- CO2: verbranding fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas), productie van cement en ontbossing
- CH4 (methaan): agricultuur afval, koeien, rijst
- N2O: mest (livestock), door fertilizers te gebruiken (microben?)
➔ Door mensen gecontroleerd
➔ Vanaf 1800 beginnen stijgen
➔ Nu bijna +50% CO2!
➔ 2021: 415 ppm CO2
Heel uitzonderlijk: men moet minstens 2 miljoen jaar terug in tijd gaan om periode met meer dan 400 ppm
te vinden!
Vooral door verbranding fossiele brandstoffen
o Verbrandt in atmosfeer → zuurstof voor nodig → daalt dus ook!
Carbon cycle
o Antropogeen CO2 komt in atmosfeer terecht: 86%
o 46% blijft in atmosfeer zitten
o 31% gaat naar planten
o 23% in oceaan
o Onevenwicht van 0,4% → planten/oceanen kunnen niet bijbenen
Rol van aerosol
= zwevende deeltjes in lucht
- Andere drijfveer van klimaatverandering
- = air pollution: door biomassa en fossiele brandstoffen
te verbranden
- 2 effecten:
Stijging van reflectiviteit van Aarde: minder
geabsorbeerd
o Verstrooiing en absorptie van korte en lange
golflengtes
Verbetert de wolken
= koelingseffect (i.t.t. broeikasgassen = verwarmingseffect)
- Wel maar een korte levensduur: max paar jaar (i.t.t. broeikasgassen = eeuwen)
- Dus lijkt negatief te zijn, maar heeft dus positief effect
Radiative forcing of the climate
→ zon werd iets zwakker
3 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
, ➔ Meer een energieprobleem dan een klimaatprobleem want 71% van Antropogene activiteiten komt door
verbranding van fossiele broeikasgassen
Erna in veel mindere mate, elke rond 5%: cement, rijst, land-use, dierlijke mest…
3. Observaties van veranderingen in het klimaatsysteem: temperatuur
Stijging globale gemiddelde oppervlaktetemperatuur
- T van 1880 tot 2020: +1,1°C
- Sinds 1980 is elke decennium warmer dan vorige
- Warmste jaar in 2016 en 2020
- 20 vd 21 warmste jaren sinds 1880 allemaal in 21 ste eeuw!
- Op land grotere temperatuurstijgingen dan in oceaan → dus op land meer dan +1,1°C → daar: +2,5°C
(Brussel)
Hockey stick curve
- Hoe uitzonderlijk is deze temp. stijging? → laatste 2000 jaar niet gemeten
- Snelheid van stijging sneller dan ooit → hockey stick curve
- T wss hoogste sinds 125 000 jaar geleden
4. Hoe kunnen we het verklaren? Link tussen oorzaken en effecten?
➔ Bewijs nu dat veranderingen in atmosfeer door antropogene oorzaken zijn!
➔ D.m.v. modellen
➔ Het is onweerlegbaar dat mensen verantwoordelijk zijn!
Mensen (broeikasgassen + aerosol) en natuurlijke drijfveren op grafiek (zwarte lijn = T):
➔ +1,1°C komt duidelijk door mens (broei + aer) → want natuurlijke effecten alleen hebben GEEN netto effect
4 Luna Willems – Biologie – VUB 2021-2022
