Zon en klimaat: een wetenschappelijke verkenning

Samenvatting

De mate waarin variaties in zonneactiviteit het aardse klimaat beïnvloeden is een belangrijk wetenschappelijk thema en staat ter discussie.Het maatschappelijk belang is ook groot, omdat deze discussie een rol speelt in het bepalen van de bijdrage van de mens aan de waargenomen klimaatverandering.Het debat is heftiger dan ooit vanwege de bijzondere verandering in zonneactiviteit en de mondiale opwarming. In opdracht van het programma Wetenschappelijke Assessments en Beleidsanalyses Klimaatverandering (WAB) hebben drie specialisten op het gebied van zonnedynamica, reconstructies van klimaatverandering en zonneactiviteit, en van de klimaatwetenschap onder leiding van het KNMI de huidige wetenschappelijke kennis over deze onderwerpen gebundeld.

Fluctuaties in reconstructies van zonneactiviteit en klimaatreeksen kunnen aanwijzingen geven over de invloed van variaties in zonneactiviteit op het klimaat, hoewel het oorzakelijk verband niet altijd duidelijk is. Zonnesignalen zijn vaak niet eenduidig te onderscheiden van andere bronnen van klimaatverandering zoals vulkaanuitbarstingen, El Niño en lange termijn interne variabiliteit.

Een belangrijke conclusie is dat kwantificering van het effect van langetermijnvariaties in zonneactiviteit op het klimaat problematisch is. Het ontbreekt eenvoudig aan een voldoende lange serie van nauwkeurige meetgegevens van zonneactiviteit en van klimaatveranderingen. Bovendien is de er onzekerheid over de indirecte beïnvloeding van het klimaat door de zon (anders dan via lichtvariaties). Het is daarom onwaarschijnlijk dat en 100% definitieve en eenduidige verklaring gegeven kan worden over de oorzaken van het temperatuurverloop in de laatste eeuwen. Zo is bekend dat de zonneactiviteit gedurende de Kleine IJstijd rond 1700 laag was en in de 20e eeuw een niveau bereikte, die de hoogste was in de laatste tienduizend jaar. Volgens de meest recente inzichten is de middenschatting voor de invloed van de zonneactiviteit een temperatuurtoename van 0.1 graad met een maximum van 0.4 graad Celsius. De huidige schattingen van de gemiddelde temperatuur op het noordelijk halfrond geven tijdens de Kleine IJstijd een 0.4 tot 0.8 graden Celsius lagere waarde dan het klimatologisch gemiddelde in de periode 1961-1990.

Zo anders ligt het effect van de zon op het klimaat in de 20e eeuw. Waarschijnlijk kan een deel (tot maximaal een derde) van de waargenomen temperatuurverandering (circa 0.4 graad Celsius) in de eerste helft van de 20e eeuw worden toegeschreven aan de toegenomen zonneactiviteit. In de tweede helft van de 20e eeuw is de zonneactiviteit nagenoeg constant gebleken en kan dus geen verklaring zijn voor de in die periode waargenomen temperatuurstijging. Voor deze stijging zijn andere factoren dan de zon waarschijnlijk.

Zon & aards klimaat De zon vervult een cruciale rol in het aardse klimaat, zoals de seizoensgang en het transport van warmte van evenaar naar poolgebieden. Dit warmtetransport bepaalt in grote mate de algemene circulatie, vrij vertaald de ligging van hoge- en lagedrukgebieden. Variaties in zonneactiviteit kunnen klimaatveranderingen op mondiale schaal veroorzaken en veranderingen in klimaatpatronen op de regionale schaal teweegbrengen. Voor de wijze waarop dit kan plaatsvinden worden drie mechanismen beschouwd

1. Kleine variaties in het zichtbare licht beïnvloeden de atmosfeer via het aardoppervlak.
2. Grotere variaties van ultraviolette straling beïnvloeden de hoeveelheid ozon (een sterk broeikasgas) hoog in de atmosfeer.
3. Variaties in de zonnewind en van kosmische straling onder invloed van de zon werken door op de vorming van aerosolen, wolken en ozon.

Recente zonnestraling Sinds 1978 wordt de totale hoeveelheid zonnestraling gemeten. Die verschilt bijna 0,1% tussen de zonnevlekkenmaxima (elke 11 jaar) en minima. Het verschil tussen de minima onderling is kleiner dan 0,01%. De verschillen zijn klein in het infrarood en groter in het ultraviolet. Variaties in het UV veroorzaken veranderingen in de ozonconcentraties in de hogere atmosfeer. Zowel de veranderingen in totale lichtkracht als in ozon gedurende de 11-jarige zonnevlekkencyclus resulteren in kleine tot verwaarloosbare klimaatveranderingen op mondiale schaal. Voor de invloed van kosmische straling op de wolkenvorming bestaat geen duidelijke fysische basis, noch ondersteunen waarnemingen deze hypothese.

Lange termijn variaties in zonneactiviteit

Met betrekking tot lange termijn variaties in zonneactivititeit zijn geen directe metingen beschikbaar. Reconstructies van variaties in de totale hoeveelheid straling afkomstig van de zon worden bepaald aan de hand van drie waarneembare grootheden: (1) veranderingen in de aa-index, de magnetische veldsterkte aan het aardoppervlak, die o.a. beïnvloed wordt door de magnetischeactiviteitvan de,(2) reconstructies van kosmogene isotopen als maat voor de kosmische straling, die samenhangt met de magnetische activiteit van de zon en (3) de bandbreedte van variabiliteit bij zonachtige sterren. Volgens de meest recente inzichten in de bovengenoemde drie peilers waarop de reconstructie van variaties in zonnestraling is gebaseerd, veroorzaakt de lichtkrachttoename van de zon tussen het Maunder Minimum (1645-1715) en de huidige "gemiddelde" zon een wereldgemiddelde temperatuurstijging van hooguit 0.4 C. De invloed van de zon op de lange termijn is hiermee substantieel kleiner dan vijf jaar geleden was geschat.

Verband tussen zonneactiviteit en het klimaat

Overeenkomstige fluctuaties in reconstructies van zonneactiviteit en klimaatreeksen kunnen aanwijzingen geven van de invloed van variaties in zonneactiviteit op het klimaat, hoewel het oorzakelijk verband niet altijd duidelijk is. Zonnesignalen zijn vaak niet eenvoudig te onderscheiden van andere bronnen van klimaatverandering zoals vulkaanuitbarstingen, El Niño en lange termijn interne variabiliteit. De invloed van de mens op het wereldklimaat is pas substantieel sinds 1950, zodat reeksen van klimaatverandering voor die tijd geschikt zijn om natuurlijke factoren te bestuderen. De onzekerheid in de metingen neemt echter wel toe met de ouderdom van de gegevens. Bovendien zijn de reconstructies van aspecten van zonneactiviteit omgeven door onzekerheden: zo wordt de koolstof-14 isotoop beïnvloed door biogeochemische processen, is de depositie van de Berylium-10 isotoop afhankelijk van atmosferische circulatie en wordt de aa-index beïnvloed door veranderingen in het aardmagnetische veld. Gegeven deze onzekerheden is het van belang de onderliggende mechanismen van klimaatbeïnvloeding door variaties in zonneactiviteit te begrijpen.

Onderzoek met klimaatmodellen

Met behulp van klimaatmodellen kunnen de gevoeligheden en mechanismen van klimaatverandering door de zon en ander factoren bestudeerd worden. Bovendien kunnen met klimaatmodellen de diverse forceringen geïsoleerd onderzocht worden. Het onderzoek richt zich zowel op de energetische beïnvloeding via de stralingsforcering als op de dynamische beïnvloeding via afwijkingen in circuatiepatronen in de hoge atmosfeer. Zo zijn de effecten van lichtkrachtvariaties van de zon en die van UV variaties op de ozonconcentraties goed in kaart gebracht. Echter, klimaatmodellen spreken elkaar in sommige aspecten tegen op de regionale schaal en daardoor is het lastig conclusies te trekken over oorzaak-gevolg relaties die zich afspelen op dat schaalniveau. Het in kaart brengen van de invloed van variaties in kosmische straling blijft problematisch, ook omdat de waarnemingen onvoldoende aanwijzingen geven voor het onderliggende mechanisme.