Wat er in de wolken gebeurt wordt nu pas een beetje duidelijk

Een scherp afgebakende wolk bestaat uit water. Een wolk zonder duidelijk begin of einde bestaat uit ijs. Waterwolken weerkaatsen veel zonnestraling, ijswolken minder en ze houden zelfs een beetje warmte vast.

Tot zo ver het duidelijke verhaal over wolken. Tijdens een bijna twee uur durend gesprek met Herman Russchenberg, Pier Siebesma, Franziska Glassmeier en Stephan de Roode van de atmosfeer- en klimaatgroep van de TU Delft, blijkt dat wolkenonderzoekers ook nog heel veel níét helemaal doorgronden. Dat is een probleem, want wolken hebben veel invloed op de hoeveelheid straling op aarde, en daarmee op temperatuur en neerslag. Ze spelen een grote rol in het klimaat. Wolken vormen de grootste onzekerheid in klimaatmodellen, schrijft ook het klimaatpanel van de VN, het IPCC.

Het goede nieuws: de onderzoekstechnieken verbeteren en de laatste jaren neemt de onzekerheid in de modellen steeds verder af. Grotendeels is nu duidelijk dat wolken door klimaatverandering zo veranderen dat de opwarming verder wordt versterkt. Hoe groot die versterking precies is, is nog onzeker.

„De afgelopen twintig jaar is een hoop tijd gaan zitten in het beter begrijpen van de vragen”, zegt Russchenberg. „We gaan nu eindelijk richting de beantwoording van vragen, omdat de middelen beter zijn geworden. Betere instrumenten, meer rekenkracht.”

Wolken zijn voortdurend in beweging, op heel kleine en op heel grote schaal

Wolken zijn voortdurend in beweging. Die beweging speelt zich af op heel kleine en op heel grote schaal, en alles daar tussenin. Van het gedrag van waterdruppeltjes, ijskristallen en interactie met aerosolen – de microfysica – tot de organisatie van wolken die vanuit de ruimte zelfs te zien is – de dynamica.

„Als je naar een wolk kijkt, dan zie je de buitenkant, maar wat je eigenlijk wil weten is: hoe groot zijn de druppels die erin zitten, hoe zijn ze verdeeld over de wolk, hoeveel zijn het er, is het water of ijs, en welk type ijskristal dan?”, zegt Russchenberg, hoofd van de onderzoeksgroep. Hij houdt zich al zijn hele carrière bezig met observaties. Met wolkenradars en laserbundels is het mogelijk om de binnenkant van wolken te bekijken. „Toen we voor het eerst met een radar in gemengde wolken keken, rond 2003, zagen we dat water een laag vormt. Tot dan toe dacht ik altijd dat water verspreid over de wolk zat, maar het zat bij elkaar, soms zelfs in meerdere lagen in één wolk.”

Ver beneden het vriespunt

De waterlagen zijn er zelfs ver beneden het vriespunt, zoals in het arctisch gebied. „Je zou denken dat het water dan verandert in ijskristallen, die vele malen groter zijn dan waterdruppels”, zegt Russchenberg. „Waarom blijven die lagen met water bestaan? Dat willen we graag beter begrijpen, want water of ijs maakt verschil voor de hoeveelheid straling die wolken reflecteren of juist opnemen.”

Nog zoiets: de ingewikkelde interactie tussen wolken en aerosolen. „Waterdruppels condenseren graag op aerosolen”, zegt Glassmeier. „Zitten er veel aerosolen in een wolk, dan bestaat hij uit meer kleine druppeltjes dan wanneer er weinig aerosolen zijn. Hij is dan ook reflectiever. Maar de samenstelling van een wolk hangt natuurlijk ook af van de temperatuur van de ondergrond en de hoeveelheid vocht in de lucht. Als het gaat over klimaatverandering, veranderen al die waarden tegelijk. De zee warmt bijvoorbeeld op en dat doet iets met de wolken. Maar wat dan precies?”

Aerosol-onderzoekers kijken graag naar wat uitlaatgassen van schepen met wolken doen. „Op satellietbeelden is goed te zien dat bewolking waar net een schip onderdoor is gevaren oplicht door de aerosolen uit de uitlaatgassen. Je ziet dan echt een lichte streep”, zegt Glassmeier. „Heel interessant natuurlijk, het is bijna een experimentele setting in de echte wereld. Maar op de kwaliteit van dat experiment hadden we ons als aerosol-onderzoekers toch verkeken. De boot vaart verder, en de aerosolen vervliegen ook weer snel. De wolk is voor een korte periode wel opgelicht, maar daarna wordt hij weer normaal. Als de blootstelling aan aerosolen langer duurt, dan gebeuren na verloop van tijd andere dingen met de wolk, hij lijkt soms bijvoorbeeld dunner te worden. Dit verhaal bleek genuanceerder te liggen dan we dachten.”

Metingen en modellen

Glassmeier werkt veel met modellen, net als veel andere wolkenonderzoekers. Modellen berekenen op basis van natuurkundige principes hoe wolken zich gedragen. Maar ook modelleurs kunnen niet zonder waarnemingen. „Zonder waarnemingen zijn modelresultaten zelfs vrij zinloos”, zegt De Roode, die onderzoek doet aan laaghangende stratocumulusbewolking en ook met modellen werkt. „Sommigen vinden dat een extreem standpunt, de werelden van modelleurs en waarnemers zijn lange tijd nogal gescheiden geweest. Maar een modelstudie moet metingen kunnen representeren.”

Dat metingen en modellen soms niet op elkaar aansluiten illustreert Siebes-ma met een van de verrassendste inzichten die hij de afgelopen jaren opdeed. „Op grond van simpele fysica weten we dat als het 1 graad warmer wordt, er 7 procent meer vocht in de lucht gaat zitten. Je zou dus verwachten dat ook extreme neerslag met 7 procent per graad opwarming toeneemt. Maar observaties tonen dat dit bijna het dubbele is, 14 procent. Dat maakt nogal uit. Ik onderzoek die extreme neerslag, en ook hoe wolken zich organiseren. Bovenop het feit dat er meer vocht in de lucht komt, gaan wolken zich bij een temperatuurstijging meer clusteren, het lijkt erop dat die toename van de neerslag te maken heeft met die veranderende clusters.”

Neerslag verandert als het klimaat verandert. Extreme of juist veel te geringe neerslag maakt veel uit voor de leefbaarheid op aarde. Klimaatwetenschappers hebben daarom naast temperatuur ook veel aandacht voor neerslag.

Waarnemingen en modellen groeien de laatste jaren naar elkaar toe

„Het samenspel tussen de parameters die neerslag veroorzaken heeft wel iets weg van het doorfluisterspelletje van de basisschool, waarbij een rij kinderen een boodschap al fluisterend van de een naar de ander doorgeeft”, zegt Glassmeier. De zin die het laatste kind hoort en hardop mag zeggen, lijkt meestal amper nog op de boodschap waarmee het begon. Zo kunnen modeluitkomsten over neerslag ook sterk van elkaar verschillen. Alleen al omdat temperatuur en vocht van plek tot plek sterk wisselen en regen daarvan een afgeleide is.

De meeste klimaatmodellen werken met resoluties van 100 kilometer, maar er zijn er ook van 1 kilometer. Op dit moment kunnen alleen de krachtigste computers ter wereld dit doen. „Vergeet ook de verticale resolutie niet”, zegt De Roode. „Daar rekenen we met 100 tot 300 meter in de onderste kilometer van de atmosfeer. Dat klinkt fijnmazig, maar de processen in laaghangende bewolking spelen zich af op schalen van 10 meter. Daarom is die laaghangende bewolking zo moeilijk te vangen in modellen.”

Waarnemingen en modellen groeien de laatste jaren naar elkaar toe. Allereerst doordat de rekencapaciteit van computers vooruit snelt. „Over een paar jaar is die 1 kilometer resolutie niet meer zo bijzonder”, zegt Siebes-ma. Van 100 kilometer naar 1 kilometer is wel een grote stap, maar nog steeds te grof om waarnemingen (met een tijdschaal van secondes en resolutie van een meter of als het over microfysica gaat nog kleiner) in modellen te kunnen betrekken. „Daarom wordt er ook veel werk gestoken in het goed aggregeren van gegevens uit waarnemingen”, zegt Russchenberg. „Zo vinden die toch een weg naar de modellen.”

Vervuiling maskeerde lange tijd de opwarming

Het wolkenonderzoek is pas echt begonnen in de jaren negentig. Pas toen werd opgemerkt dat het klimaat rap aan het veranderen is. En dat terwijl de broeikasgassen die daarvoor zorgen toen al decennia werden uitgestoten. Juist vervuiling maskeerde lange tijd de opwarming.

Dat zit hem ook weer in het precaire samenspel tussen wolken en aerosolen, waar de vervuiling voor een groot deel uit bestaat. „De aerosolen werken als condensatiekern”, zegt Russchenberg. „Rond de aerosolen vormen zich kleine druppeltjes die sterker weerkaatsen dan grote druppels.” De kleur van de aerosolen maakt daarbij wel uit. Glassmeier: „Aerosolen uit roet zijn zwart. Die werken ook wel als condensatiekern, maar hun kleur draagt dan weer bij aan het opwarmend effect..” Toch is het gemiddelde beeld dat luchtvervuiling een koelend effect heeft. Siebesma: „We hebben in Nederland nu wel een stikstofdiscussie, maar de lucht is een stúk schoner dan in de jaren 70 en 80. Het gevolg is dat er nu 10 procent meer straling op de grond komt.”

Moesson verlengen

Wolkenonderzoekers kijken daarom ook met interesse naar de lucht boven landen als India, waar nog veel vervuiling is. „De lucht in India wordt straks echt ook wel een keertje schoner”, zegt Russchenberg. „Heel veel opwarming wordt gemaskeerd door die vervuiling. Als dat weggaat komt er extra opwarming bij. Hoe groot is dat effect?”

Als die processen beter begrepen worden, ontstaat ook de optie om ze een bepaalde richting op te sturen. Al tijdens de Vietnamoorlog deed het Amerikaanse leger pogingen de moesson op specifieke plaatsen in het land te verlengen zodat wegen langer onbegaanbaar zouden zijn. Een ander bekend voorbeeld zijn de Olympische Spelen van 2008 in Beijing, waarbij geprobeerd werd wolken geforceerd te laten uitregenen voordat ze stadions zouden bereiken. China heeft een weermodificatiebureau, waar naar verluidt 37.000 mensen werken.

Ook in Delft willen ze bekijken wat er mogelijk is met het modificeren van wolken. De onderzoeksgroep van Russchenberg heeft eind november een budget van 1,4 miljoen euro gekregen. Daarmee willen ze de komende zes jaar onderzoeken of het modificeren van laaghangende bewolking boven oceanen door er zoutdeeltjes in te blazen een instrument kan zijn om de temperatuur op aarde te verlagen. Marine cloud brightening heet de techniek. Ze gaan samenwerken met de universiteit van Cambridge, die eenzelfde bedrag hiervoor kreeg. „Cambridge gaat kijken naar de technologie: hoe krijg je die zoutkristallen goed de lucht in? Wij kijken vooral naar de respons van de wolken”, zegt Russchenberg. „We beginnen klein en willen het dan uitbreiden, ook met veldexperimenten en meetcampagnes.”

Door aerosolen in de wolk los te laten, verdeelt het water in de wolk zich over kleinere druppeltjes

Het idee klinkt eenvoudig: door aerosolen in de wolk los te laten, in dit geval dus zoutdeeltjes uit het oceaanwater, verdeelt het water in de wolk zich over kleinere druppeltjes. De wolk licht dan op, zoals ook zichtbaar is bij deeltjes die uit de schoorstenen van schepen komen. De hoop is ook dat de wolk langer blijft bestaan omdat kleine druppeltjes minder makkelijk tot neerslag leiden. Nieuwe wolken zijn op deze manier niet te maken, het is bedoeld om bestaande wolken aan te passen.

Wat levert dit op? „In theorie zou je er alle opwarming mee kunnen compenseren, maar in praktijk moet je niet op meer dan 1 graad verkoeling rekenen”, zegt Russchenberg. Glassmeier: „In theorie betekent in dit geval: in het beste scenario, als alle processen de kant op gaan die je beoogt. Er zijn een hoop modelstudies waarin je ziet wat je hoopt, maar ik kan ook voorbeelden laten zien waarbij de wolk dunner wordt. Of waarbij de wolk makkelijker verdampt dankzij de kleinere druppeltjes. Dan krijg je het tegenovergestelde effect, dan draagt het bij aan opwarming. Daar liggen de wetenschappelijke vragen.”

Andere technieken om het klimaatprobleem te lijf te gaan, zoals aerosolen in de stratosfeer spuiten die zonlicht tegenhouden zodat minder straling het aardoppervlak bereikt, zijn hoogst controversieel. Tegenstanders van zo’n aanpak vrezen dat de hoop die uit deze ‘oplossingen’ voortvloeit afleidt van uitstootreductie, terwijl dat het enige is dat écht helpt. Veldexperimenten over stratosfeerinjecties worden daarom al jarenlang tegengehouden.

Lees over ingrijpen in het klimaat: We kunnen het klimaat ook vertimmeren

Invloed op de voedselvoorziening

„Over onze experimenten zal vast ook discussie ontstaan”, zegt Russchenberg, die benadrukt dat ook wat hem betreft het terugdringenvan broeikasgassen de oplossing voor klimaatverandering is. Maar zolang dat niet voldoende gebeurt moeten ook andere technieken worden onderzocht. „Als je marine cloud brightening op grote schaal zou doen dan kunnen neerslagpatronen veranderen, dat heeft invloed op de voedselvoorziening. Natuurlijk moet je daarover discussiëren. Maar ik denk wel dat als mensen moeten kiezen tussen strato-sfeerinjecties of het modificeren van wolken, ze dan voor de wolkenaanpak kiezen. Alleen al omdat het effect al na een paar weken teniet is gedaan als je ermee stopt, in plaats van na een paar jaar zoals bij stratosfeerinjecties.”

„Het is vooral de framing van dit soort onderzoek die veel weerstand oproept: we gaan het onderzoeken in het kader van het klimaat”, zegt Russchenberg. Siebesma: „Vergeet niet dat weermodificatie al decennia gebeurt, dat zijn eigenlijk ook experimenten met het beïnvloeden van wolken.”

Er is nog zoveel onbegrepen aan wolken, is het niet te vroeg voor dit soort experimenten? „Het is eerder de vraag of je je het kunt veroorloven om het niet te onderzoeken”, zegt Siebesma. „Er is nog wel twintig jaar onderzoek voor nodig voor dit eventueel kan worden ingezet. Voor je de wolkenprocessen goed genoeg begrijpt, voordat de techniek er is, en voor je het met elkaar hebt kunnen regelen wereldwijd. Dat laatste zal denk ik nog het langste duren.”

Een belangrijk deel van het onderzoekswerk dat in Delft wordt gedaan is gericht op verre oorden en decennia in de toekomst. Toch kijken de vier wetenschappers allemaal ook veel en graag naar de bewolking boven Nederland. „Nederland is een heel spannend wolkenland”, zegt De Roode. Russchenberg: „Alles komt hier langs! Je hebt hier vier seizoenen per dag, verzuchtte een gastonderzoeker uit India laatst nog.” „Dat maakt Nederlandse bewolking lekker uitdagend”, zegt Siebesma. „Als het op dynamica aankomt kent Nederland echt zijn gelijke niet.”

Lees ook: Wolkenliefhebbers over de mooiste (en stomste) luchten: ‘Noctilucents! Die zijn nu te zien’