Warmere lucht kan meer waterdamp bevatten, namelijk zo'n 7% meer per graad toename van de luchttemperatuur. De maximale hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer wordt voornamelijk bepaald door de temperatuur. Door het versterkte broeikaseffect, en de daarmee samenhangende opwarming van de atmosfeer, neemt de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer geleidelijk toe.
Voor wolkenvorming is echter de relatieve vochtigheid van belang. Dit is de verhouding van de hoeveelheid waterdamp ten opzichte van de maximale hoeveelheid waterdamp die er in lucht kan zitten. De relatieve vochtigheid neemt toe als de hoeveelheid waterdamp toeneemt, maar neemt juist af in warmere lucht, doordat warmere lucht meer waterdamp kan vasthouden. In een opwarmend klimaat nemen zowel de hoeveelheid waterdamp als de temperatuur toe. De vraag is welk effect het belangrijkst is voor wolkenvorming?
Tegenstrijdige effecten
Omdat wolken inkomend zonlicht reflecteren hebben ze een belangrijk afkoelend effect op het klimaat. De hoeveelheid zonlicht die een wolk reflecteert hangt af van de dikte van het wolkendek, de grootte van het horizontale wolkenoppervlak, en de grootte van de wolkendruppeltjes. De locatie op aarde van de wolk is ook een belangrijke factor. Vanwege de maximale inval van zonlicht bij de evenaar zal een wolkendek in dat gebied een grotere impact hebben op de hoeveelheid teruggekaatst zonlicht dan in de poolgebieden.
Net als CO₂ versterken wolken de hoeveelheid warmtestraling (infraroodstraling) richting het aardoppervlak. De sterkte van dit effect, dat soms ook wel eens wordt vergeleken met het vasthouden van warmte door een deken, neemt af naarmate de wolk hoger in de atmosfeer aanwezig is. Het effect van laaghangende bewolking is vooral 's nachts goed merkbaar. Schaatsliefhebbers kijken daarom graag uit naar heldere omstandigheden, omdat dan de afkoeling bij de grond het sterkst is.
Klimaatverandering opgesplitst
Figuur 1: Analyse van resultaten van 12 verschillende klimaatmodellen (GCM, Global Climate Model) waarbij de verandering in de gemiddelde wereldwijde temperatuur DT is opgesplitst in een directe bijdrage van de toegenomen concentratie CO₂ (de donkergele staafjes onderin de figuur), en terugkoppelingseffecten zoals een toename in de hoeveelheid waterdamp en de verandering in de verticale temperatuursopbouw (Water Vapour and Lapse rate, WV and LR aangeven met een gele kleur), veranderingen als gevolg van een kleinere bedekkingsgraad van sneeuw en ijs (lichtgele kleur), en wolken (rode staafjes). [1]
Figuur 1 laat zien hoe de wereldwijde gemiddelde temperatuur verandert als gevolg van de toename in de hoeveelheid CO₂, de zogenaamde Planck respons [1]. Door de opwarming verandert ook de hoeveelheid waterdamp, land- en zeeijs, maar ook wolkenpatronen. Deze drie factoren hebben elk ook weer een impact op de opwarming van het klimaat. Dit wordt een 'feedback' genoemd, ofwel een terugkoppelingseffect. Omdat waterdamp net als CO₂ een broeikasgas is, leidt een toename ervan tot een versterking van de globale opwarming. De vermindering in de hoeveelheid sneeuw en ijs door smelt zorgt voor een hogere absorptie van zonlicht aan het aardoppervlak, en daarmee tot een kleine extra toename in de wereldwijde temperatuur. De verschillende klimaatmodellen geven een goede onderlinge overeenstemming wat betreft de effecten van CO₂, waterdamp en veranderingen in ijs en sneeuw op de verandering in de wereldwijde gemiddelde temperatuur.
Figuur 2: Satellietopname van een stratocumulus wolkendek voor de kust van Californië (bron).
Alle klimaatmodellen laten ook een extra opwarming zien ten gevolge van veranderingen in bewolking. Dit is vooral toe te schrijven aan de vermindering van de hoeveelheid laaghangende bewolking boven de subtropische oceanen. Deze 'stratocumulus' bewolking is uiterst gevoelig voor relatief kleine veranderingen in de hoeveelheid waterdamp en temperatuur [6]. Stratocumulus is op grote schaal aanwezig boven relatief koud oceaanwater voor de kusten van de Verenigde Staten, Peru en Angola (zie Figuur 2 voor een satellietfoto). Stratocumulus komt vooral boven de subtropische oceanen veelvuldig en op veel plekken voor (zie Figuur 3). Omdat deze wolken meer dan 50% van de inkomende zonnestraling terugkaatsen zorgen ze voor een sterke afkoeling van het klimaat [8].
Figuur 3: Jaargemiddelde fractie van de tijd met stratocumulus wolken [9].
De onzekerheid ligt in de wolken
We zien in Figuur 1 echter ook dat er een grote spreiding (onzekerheid) is in de sterkte van de het wolkenterugkoppelingseffect. De processen die belangrijk zijn voor het opbreken of juist het dikker worden van het stratocumulus wolkendek, zoals turbulente thermiekbellen (opstijgende lucht), zijn in het algemeen te klein zijn om goed opgepikt te kunnen worden door de klimaatmodellen, die een minder hoge resolutie hebben dan nodig is hiervoor [5]. Om de rol van laaghangende bewolking op klimaatopwarming beter te begrijpen worden daarom ook zogenaamde hoge-resolutiemodellen toegepast. Deze modellen rekenen met een puntenrooster op afstanden van slechts enkele tientallen meters [6, video]. Deze studies bevestigen dat de hoeveelheid stratocumulus zal afnemen omdat vooral in de subtropen de opwarming belangrijker is voor deze wolkensoort dan de toename in de hoeveelheid waterdamp [1,3,7].
Figuur 4: Veranderingen in bewolking in een opwarmend klimaat. Links zien we dat wolken gemiddelds iets hoger komen te liggen. In het midden is de afname in laaghangende bewolking weergeven. Deze twee veranderingen versterken de opwarming van het klimaat, terwijl een verandering in de samenstelling van wolken (meer vloeibare wolkendruppeltjes dan ijskristallen bij opwarming) klimaatopwarming juist tegengaan [4].
Er zijn nog twee andere belangrijke wolkeneffecten (zie Figuur 4 uit [4]). Hoge bewolking zal onder invloed van klimaatopwarming gemiddeld iets hoger komen te liggen waardoor er minder infraroodstraling de ruimte in verdwijnt. Er is echter ook een proces bekend waarbij wolken klimaatopwarming juist temperen. Vloeibaar waterdruppeltjes reflecteren meer zonnestraling in vergelijking met de wat grotere ijskristallen. Bij gemiddeld hogere temperaturen zullen er wat meer waterdruppeltjes dan ijsdeeltjes in wolken aanwezig zijn, waardoor er iets meer zonnestraling wordt gereflecteerd.
Samengevat zullen veranderingen in de hoeveelheid wolken en wolkenhoogte de klimaatopwarming versterken. Omdat wolken zo'n belangrijk effect op de opwarming van het klimaat hebben, maar bijvoorbeeld ook op veranderingen in wereldwijde neerslagpatronen, is wolkenonderzoek een van de speerpunten in huidige klimaatstudies.