De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Atmosfeer en klimaat op aarde: Hoe snel zullen veranderingen plaatsvinden?  

 

atmosfeer0.jpg Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links
 

 

Wat weten we niet?

Het leven op aarde heeft een grote invloed op de atmosfeer. Anderhalf miljard jaar na het ontstaan van de aarde ontstaat voor het eerst via biologische activiteit zuurstof. Dat wordt vrijwel direct weer vastgelegd in gesteente zoals krijt (kalk). Pas 500 miljoen jaar geleden is de hoeveelheid zuurstof op het huidige niveau gekomen. Sindsdien is de samenstelling van de atmosfeer niet veel veranderd. Stikstof is het belangrijkste gas, gevolgd door zuurstof en argon. Ongeveer 0,1% van de atmosfeer bestaat uit sporengassen, zoals kooldioxide en methaan. Samen met waterdamp zorgen die twee laatste gassen voor het natuurlijke broeikaseffect. Zonder dat effect zou de aarde een ijsplaneet zijn met een gemiddelde temperatuur van bijna -20 °C. In werkelijkheid is de gemiddelde temperatuur ongeveer 14,5 °C, en is de aarde een leefbare planeet. De sporengassen hebben dus een relatief groot effect en de ‘thermostaat’ van de aarde is dan ook erg gevoelig voor de hoeveelheid van deze gassen in de atmosfeer.

Hoe die thermostaat precies werkt weten we niet. En dat is politiek-maatschappelijk-economisch vervelend, omdat onze hoog-technologische beschaving heel erg afhankelijk is van het (leefbare) klimaat op aarde. Het klimaat is het gevolg van een ingewikkeld geheel aan kringlopen en processen. Er is veel wat we niet weten:

  • Broeikasgassen. De hoeveelheid sporengassen in de atmosfeer met een broeikaswerking neemt op dit moment sterk toe als gevolg van menselijke activiteit. Daarnaast zorgen natuurlijke bronnen zoals vulkanen voor een wisselende bijdrage. Hoe gaat die ontwikkeling verder?
  • Koppelingen. Tussen de broeikasgassen, de oceanen en de landoppervlakten bestaan koppelingen waarvan de werking deels nog slecht bekend is. De koppelingen en de ligging van evenwichten zijn vaak afhankelijk van de temperatuur. De aard kan zowel positief zijn (meer van het ene leidt tot meer van het andere) als negatief (toename van het ene leidt tot afname van het andere). Kennen we alle koppelingen en weten we hoe ze op elkaar inwerken?
  • Aerosolen. Koppelingen en evenwichten bestaan ook binnen de atmosfeer zelf. Met name de hoeveelheid bewolking en de concentraties stof en deeltjes in de atmosfeer (aerosolen) beïnvloeden de zonnestraling die het aardoppervlak bereikt. En de manier waarop die weerkaatst naar de ruimte. Maar wat de invloed van aerosolen precies is, is niet goed bekend.
  • Geofysica. Het klimaat op aarde is op de lange termijn ook afhankelijk van geofysische factoren zoals de verdeling van continenten, de hoogte van het landoppervlak en de morfologie van de oceaanbodem. Deze factoren werken op de lange termijn. Er zijn ook kortetermijnfactoren, zoals supervulkaanuitbarstingen die grote hoeveelheden stof en gassen in de atmosfeer blazen. Wat bepaalt precies de vulkanische activiteit? 
  • Zonnestelsel. Het klimaat op aarde is ook afhankelijk van periodieke en toevallig optredende factoren. Sommige werken op lange tijdschalen, zoals de langzaam toe- en afnemende excentriciteit van de aardbaan om de zon. We weten dat dit in het verleden aanleiding is geweest voor het optreden van ijstijden en warmere tussenperioden. Maar hoe ijstijden precies ontstaan, is niet goed bekend. En dan zijn er wisselingen in de activiteit van de zon, of kan een grote meteoriet inslaan op aarde. Ook dat bepaalt het klimaat, maar hoe precies?
   omhoogomlaag

Wat weten we wel?

De wetenschappelijke aanpak om iets te weten te komen over toekomstige veranderingen in de atmosfeer en het klimaat komt neer op het maken van modellen die de werkelijkheid zo goed mogelijk nabootsen. De ijking van deze modellen gebeurt aan de hand van het klimaat uit het verleden. Het is vooral nodig om de koppelingen in de atmosfeer, de oceanen en de bodem beter te leren te kennen. Ook de studie van atmosferen van Mars en Venus – die je kunt beschouwen als anders ingestelde ‘cases’ – draagt bij aan een beter begrip van de aardse atmosfeer en het klimaat. Wat we weten we eigenlijk wel over het aardse klimaat?

   omhoogomlaag

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer en de relatie met een verschuivend klimaat zijn erg ingewikkelde en vertakte processen. De uitkomsten van modelberekeningen voor klimaatontwikkelingen worden onnauwkeuriger naarmate men verder in de toekomst kijkt. Ook als ze klimaatveranderingen uit het verleden goed blijken te reproduceren. Vandaar dat er wordt gewerkt met marges, zoals in de uitspraken van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Schattingen leren dat de gemiddelde temperatuur op aarde aan het einde van deze eeuw 2 tot 6 graden hoger ligt dan nu. Die onzekerheid komt deels van slecht bekende stukjes in de klimaatpuzzel en deels door onbekendheid met het effect van eventueel te treffen maatregelen, bijvoorbeeld ter beperking van kooldioxide-uitstoot en de productie van fijn stof. Zolang maatregelen niet zijn geïmplementeerd, kan het effect nog niet worden gekwantificeerd.

Verschillende stukjes van de klimaatpuzzel kunnen met verder onderzoek, op aarde en vanuit de ruimte, beter in beeld worden gebracht. Zowel NASA als ESA (deels in samenwerking met de Europese Unie) hebben uitgebreide aardobservatieprogramma’s opgezet. Deels zijn die operationeel. Een flink aantal missies zal in de komende twee decennia worden gerealiseerd. Daarnaast zijn er enkele nationale programma’s, zoals in Japan en Frankrijk.
Lees meer: Nederlandse en internationale bijdragen aan klimaatonderzoek vanuit de ruimteDe ruimtemissies van nu en de nabije toekomst zijn gegroepeerd rond verschillende onderzoeksthema's. Samenstelling van de atmosfeer, met name het in kaart brengen van bronnen en ‘putten’ van sporengassen. Nederlandse organisaties zijn vaak bij dergelijk onderzoek betrokken, zoals via de experimenten OMI en SCIAMACHY en in de toekomst TROPOMI. Verdeling van aerosolen en de relatie met wolkenvorming. In het kader van ESA’s Living Planet programma wordt gewerkt aan een satelliet, EarthCare, samen met het Japanse ruimtevaartbureau JAXA. De missie moet in 2015 operationeel zijn. Dynamica in de atmosfeer. Zodat een beter inzicht ontstaat hoe de verschillende luchtstromingen in elkaar zitten, niet alleen nabij het aardoppervlak maar ook hoger in de stratosfeer. ESA is van plan in 2013 de ADM-Aeolus missie te lanceren die de bewegingen in de atmosfeer in kaart moet brengen. Samen met EarthCare en de geofysicasatelliet GOCE behoort deze missie tot de ‘Core-missions’ in ESA’s Living Planet programma. Daarnaast zijn er kleinere ‘Opportunity-missions’. Verdeling van de ijsbedekking op aarde, en de manier waarop die reageert onder klimaatverandering. Dat is het werkterrein van Cryosat-2, een ESA Oppurtunity mission die sinds 2010 actief is. Verdeling van vocht in de bodem en van het zoutgehalte in de zee. Hiervoor heeft ESA de Oppurtunity-missie SMOS gelanceerd in 2009. Verdeling van de biomassa, verdeling van het kooldioxide in de atmosfeer, de werking van de watercyclus, het zijn maar een paar onderzoeksgebieden waar mogelijk in de (nabije) toekomst speciale satellietmissies aan worden gewijd in het kader van ESAs Earth Explorer programma. Stralingsactiviteit van de zon. Als de zon actiever wordt, of juist minder actief, heeft dat gevolgen voor het aardse klimaat. Verschillende ruimtemissies onderzoeken continu de activiteit van de zon en proberen antwoord te geven op de vraag op welke manieren de zonneactiviteit kan veranderen. Voorbeelden zijn de missies SOHO (NASA / ESA), Solar Dynamics Observatory (NASA) en PROBA-2 (ESA).

Links  

Wat weten we niet?
Kort overzicht van de veranderende samenstelling van de aardatmosfeer : http://www.physicalgeography.net/fundamentals/5b.html
Klimaat en broeikaseffect : http://www.knmi.nl/klimaatverandering_en_broeikaseffect/
Klimaat en KNMI : http://www.knmi.nl/klimaatverandering_en_broeikaseffect/...
Atmosferisch onderzoek in Nederland : http://www.uu.nl/faculty/science/nl/onderzoek/ois/imau/Pages/default.aspx
Meer over broeikasgassen : http://ec.europa.eu/clima/sites/campaign/pdf/gases_nl.pdf
Klimaatmodellen op het klimaatportaal : http://www.klimaatportaal.nl/pro1/general/start.asp?i=0&j=0&k=0&p=0&itemid=388
Meer over atmosferische chemie : http://www3.mpch-mainz.mpg.de/~sander/chem-intro.html

Wat we weten wel?
Meer over methaan, putten en bronnen, en de manier waarop satellietonderzoek wordt gebruikt om meer kennis te vergaren : http://www.helsinki.fi/henvi/research/presentations09/Backman.pdf
Meer over de Krakatau uitbarsting en de invloed op het klimaat : http://wetenschap.infonu.nl/natuurverschijnselen/55560-de-explosieve-uitbarsting-van-de-vulkaan-krakatau.html
en http://www.houwie.net/krakatau0.html
Meer over vulkaanuitbarstingen en klimaat : http://www.knmi.nl/cms/content/80091/vulkaanuitbarstingen_en_klimaat
Meer over paleo-ecologie : http://www.angelfire.com/az3/mohgameil/paleoecology.html en een voorbeeld op : http://docs.google.com/...
Meer over astronomische factoren en het klimaat : http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/milankovitch.html
Meer over de zonneactiviteit en het klimaat : http://www.knmi.nl/cms/content/31950/zonnevlekken_en_klimaat
Meer over de Kleine Ijstijd :
http://www.knmi.nl/cms/content/21054/kleine_ijstijd
Maunder minimum en klimaat : http://www.eso.org/sci/libraries/lisa3/beckmanj.html
en http://www.spacepage.be/artikelen/het-zonnestelsel/de-zon/wat-is-het-maunder-minimum

Hoe zouden we er achter kunnen komen?
Meer over het IPCC : http://www.ipcc.ch/
Meer over OMI : http://www.knmi.nl/omi/publ-nl/nieuws/newsWrap.php?language=pref_nl&timeFrame=latest&choise=page&path=publ-nl
Meer over SCIAMACHY : http://www.sciamachy.org/
Meer over TROPOMI : http://www.spaceoffice.nl/nl/Activiteiten/Planeet%20aarde/212.html en /sentineltropomi
Meer over ESA’s Earth Explorers :
http://www.esa.int/esaLP/ASEWGWNW9SC_LPearthexp_0.html
Meer over EarthCare van ESA / JAXA : http://www.esa.int/esaLP/ASESMYNW9SC_LPearthcare_0.html
Meer over ESA’s ADM-Aeolus : http://www.esa.int/esaLP/ESAES62VMOC_LPadmaeolus_0.html
Meer over ESA’s Cryosat-2 : http://www.esa.int/esaLP/LPcryosat.html
Meer over ESA’s SMOS : http://www.esa.int/esaLP/LPsmos.html
ESA’s aardobservatieprogramma : http://www.esa.int/esaEO/index.html
ESA’s GMES : http://www.esa.int/esaLP/LPgmes.html
Meer over NASA’s aardobservatieprogramma en actuele kaarten : http://earthobservatory.nasa.gov/
Uitgebreid overzicht van NASA-aardobservatiemissies : http://science.nasa.gov/earth-science/missions/

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer1.jpg
Impressie van de oer-atmosfeer van de aarde
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer2.png
Overzicht energiebalans van de aarde en het broeikaseffect
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer3.jpg
Broeikaseffect

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer4.png
Aarde als ijsplaneet

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer5.jpg
Vulkaanuitbarsting. Grote hoeveelheden stof in de atmosfeer hebben (tijdelijk) invloed op het wereldklimaat
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer6.jpg
Temperatuursontwikkeling over de laatste 1000 jaar
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer7.png
Registraties van verschillende ijstijden uit het verleden
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer8.png
Kooldioxide metingen op Hawaii

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer9.png
Fossiele brandstof en kooldioxide uitstoot

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer10.png
Kooldioxide-concentratie in de afgelopen 400 000 jaar

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer11.png
Kooldioxide-opname in de oceaan

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer12.jpg
Verdeling van kooldioxide in de atmosfeer
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer13.jpg
Verdeling van biomassa over de continenten
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer14.jpg
Overzicht van de aardse koolstofcyclus
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer15.jpg
Het effect van aerosolen (stof, zoutdeeltjes, etc) is dat ze de wolkenvorming beinvloeden en zo bijdragen aan het instellen van een (ander) klimaatevenwicht
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer16.png
Het effect van vulkaanuitbarstingen op de transparantie van de atmosfeer, gemeten op Hawaii
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer17.jpg
Periodieke variaties in de stand van de aarde en de baan om de zon blijken de 'trigger' voor het ontstaan van de belangrijkste ijstijden

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer18.jpg
Modellen voor het begrijpen van de Kleine IJstijd
 


b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer19.png
De hoeveelheid zonnevlekken en het Maunder minimum tijdens de Kleine IJstijd
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer20.jpg
De precessie van de aarde is een langzame tolbeweging van de aardas
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer21.jpg
OMI-instrument aan boord van NASA's Aura-satelliet
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer22.jpg
SCAMACHY is een instrument aan boord van ESA's ENVISAT
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer23.jpg
TROPOMI concept

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer24.jpg
Tekening van de EarthCare satelliet
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer25.jpg
Indruk van ESA's ADM-Aeolus satelliet
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_atmosfeer26.jpg
ESA's Cryosat-2 meet de ijsbedekking van de aarde










SCROLL TO TOP