KLIMAATWETENSCHAP

Hoewel klimaatverandering van alle tijden is, zijn alarmerende berichten over het klimaat de laatste jaren aan de orde van de dag. Wij belichten in deze bijdrage natuurwetenschappelijke aspecten van de klimaatverandering ten einde de situatie te beoordelen en alarmistische berichten beter op hun alarmistische waarde te schatten.

In de natuurwetenschap begint alles met het doen van waarnemingen, het meten. Om waarnemingen te kunnen duiden, dient theorie ontwikkeld te worden die die waarnemingen kan verklaren. Goede theorie is in het verlengde daarvan ook in staat om realistische en betrouwbare voorspellingen te doen. Dat stelt zware eisen aan de betrouwbaarheid van de metingen en de strenge logica van de theorie. Het is een belangrijke verworvenheid van de moderne natuurkunde dat vergelijkingen zoals die van Maxwell, Einstein, Schrödinger, Dirac, Dyson aan die hoge eisen voldoen. De vraag rijst daarom hoe dat zit met klimatologie?

Meten is weten

Alles in de natuurwetenschap begint met waarnemingen. Al heel lang worden op veel plaatsen op aarde temperaturen en luchtdrukken gemeten, hoeveelheden regen bijgehouden en stormen gemonitord. Uit die temperatuurgegevens probeert men bijvoorbeeld het verloop met de tijd van de gemiddelde temperatuur op aarde te bepalen. Simpel genoeg, zou je zeggen. Helaas, dat valt tegen. Om te beginnen is er de vraag in hoeverre metingen representatief zijn. Het aantal meetstations is beperkt en is niet gelijkmatig over het aardoppervlak verdeeld. Daarnaast meet een meetstation in het vrije veld andere temperaturen dan een station in de buitenwijken van een grote stad, het ‘urban heat island’ effect. Het is mogelijk dat wat 80 jaar geleden een goede meting was, dat heden ten dage niet meer is. De verleiding is groot om voor allerlei effecten te willen ‘corrigeren’, maar op die weg liggen veel valkuilen. Vaak zijn data reeksen van temperaturen door instanties op onnaspeurbare wijze vervuild, er zijn thermometers verplaatst, bijgekomen en weggehaald en zones veranderd, kortom foutenmarges veroorzaakt, die van dezelfde orde of groter zijn dan de temperatuurverschillen waarvan sprake is. Serieuze natuurwetenschappers worden hiervan onrustig. De onrust wordt nog versterkt door het feit dat die ‘correcties’ soms pas na 100 jaar uitgevoerd worden, niet door de mensen die de metingen gedaan hebben maar door anderen, en dat de ‘correcties’ altijd tot hogere (en door de corrector wenselijk geachte) temperaturen leiden.

Natuurkundigen hebben voor harde uitspraken gegevens nodig over fouten in de metingen en de doorwerking daarvan in de conclusies. Bij temperatuurmetingen moeten we bovendien onderscheid maken tussen metingen op het aardoppervlak (de klassieke metingen zeg maar), en metingen die sinds enige tientallen jaren met behulp van satellieten gedaan worden. Die laatste metingen geven informatie over de temperatuur in een bepaalde troposferische laag boven het aardoppervlak. Het is essentieel om aan te geven welke temperatuurgegevens men hanteert, want de overeenkomst tussen beide methoden is bepaald niet wat een naïeve waarnemer zich zou wensen.

Nog een opmerking over het woord ‘klimaatverandering’, dat veelvuldig gebruikt maar zelden gedefinieerd wordt. Zie bijv. Thoenes. Meestal bedoelt men een verandering van het ‘gemiddelde wereldklimaat’, die dan overal merkbaar zou moeten zijn, bijvoorbeeld in een zekere wereldwijde temperatuurstijging. Gelijktijdig treden er overal op aarde plaatselijke klimaatveranderingen op, die uitgedrukt in graden aanzienlijk groter zijn dan de gemiddelde verandering en daar ook niets mee te maken hebben. Als de gemiddelde temperatuur bijvoorbeeld 0,4 graden stijgt, kan dit niet een plaatselijke temperatuurstijging van 2 graden veroorzaken. Die moet een andere oorzaak hebben. Bovendien treden er in verschillende klimaatzones gelijktijdig allerlei temperatuurstijgingen en -dalingen op, waardoor de gemiddelde temperatuurverandering klein is. Het heeft ook weinig zin te spreken over een temperatuur die een gemiddelde is tussen die in de Sahara en die op Groenland.

Van meten naar begrijpen?

In de media verschijnen voortdurend berichten over nieuwe weerrecords die ons weer overkomen zijn. Dat gaat dan bijvoorbeeld over de gemiddelde aardtemperatuur in een bepaalde maand. De suggestie is telkens dat de aarde opwarmt. Ten eerst kan men twijfelen aan de relevantie van een dergelijk gemiddelde voor de klimatologische toestand van een hele planeet. Zelfs een opeenvolging van dergelijke records over een periode van een paar jaar kan het gevolg zijn van een onbekend verschijnsel van tijdelijke aard, waarvan nadien niets meer te merken is. Ook als er gedurende een beperkte tijd sprake is van correlaties, zegt dat niets over de aanwezigheid van een causaal verband. Om verstandige dingen te kunnen zeggen zijn betrouwbare metingen en betrouwbare theorie nodig. Daaraan ontbreekt het bij het klimaat, omdat er heel veel verschillende invloeden zijn, die elkaar wederzijds ook weer beïnvloeden. Om klimaatvoorspellingen te doen, zijn we dan ook uitsluitend aangewezen op klimaatmodellen. Het is dus zinnig na te gaan wat er in die modellen zit en wat niet, en ook hoe.

1. Klimaatmodellen bevatten veel bekende natuurkunde (stralingswetten, gaswetten, verdampingswarmte, condensatiewarmte, resultaten van molecuulspectroscopie, etc.).
2. Klimaatmodellen bevatten geen fysica die geheel onbekend is, of waarvan we op dit moment zelfs geen vermoeden hebben. Maar de atmosferische chemie en fysica zijn niet af. Daarmee zijn de modellen per definitie onvolledig. Hoe ernstig dit is, kan slechts de tijd leren. Dat is geen verwijt aan de modelbouwers, maar maant wel tot voorzichtigheid over uitspraken over de volledigheid en duurzaamheid van model uitkomsten.
3. Klimaatmodellen hebben een ereplaats ingeruimd voor de invloed van atmosferisch CO₂. Het is dan cruciaal om ook de biosfeer bij de beschouwingen te betrekken. Plantengroei wordt bevorderd door hogere concentraties van CO₂. Dit heeft directe gevolgen voor de albedo (het reflecterend vermogen) van het aardoppervlak. Het proces is spectraal gevoelig: bij fotosynthese worden rood en blauw gebruikt, maar groen wordt gereflecteerd. De invloed op de stralingsbalans is waarschijnlijk significant, maar hoe het precies uitwerkt, weten we niet.
4. De rol van de wereldoceanen is cruciaal. Door de grote warmtecapaciteit van water bevatten de bovenste paar meters van de oceanen evenveel warmte als de gehele atmosfeer, terwijl ongeveer 100 m diep die zelfde oceaan zonnewarmte tijdelijk opslaat en transporteert. Een kleine verstoring van het evenwicht in de oceanen zou een grote verstoring in de ijle dampkring kunnen veroorzaken. De interactie tussen oceaan en atmosfeer is dan een detail dat in ad-hoc algoritmes gevangen moet worden.

De waarde van de modellen moet blijken uit de metingen.

In de natuurwetenschappen is het goed gebruik, ingegeven door honderden jaren van wetenschappelijke ontwikkeling, dat degene die poneert ook numerieke, toetsbare argumenten heeft. Mensen die met klimaatmodellen komen, hebben dan ook de wetenschappelijk plicht aan te tonen dat de wetenschappelijke onderbouwing van hun modellen deugt en dat de voorspellingen betrouwbaar zijn. Het is de taak van critici om relevante vragen te stellen, en de plicht van de modelbouwers om daar adequaat op te antwoorden. Om een problematisch model te poneren en vervolgens van de critici te eisen dan maar met iets beters te komen, is een retorische truc maar heeft niets met natuurwetenschap van doen.

Alarmisten poneren dat alle kwaad van CO₂ komt, dat de mens bijdraagt aan CO₂ in de atmosfeer, en dat DUS gesproken moet worden van ‘Anthropogenic Global Warming’ (AGW). Kortom, alle narigheid is het gevolg van het kwalijke handelen van de mens. Dat geloof is wijd verbreid. Onder natuurwetenschappers als fysici en geologen is de AGW-hypothese echter omstreden.

Hoe gaan de klimaatmodellen nu om met bovengenoemde zaken? Daarbij gaat het voor de discussie vooral om effecten uit categorie 3. Die worden in rekening gebracht door parametrisering. Dat kan op veel manieren, en dat leidt dan weer tot veel modellen. Er zijn er wel honderd in omloop. Op zich is dat curieus, gezien het feit dat een enkele Dirac-vergelijking voldoet om de hele relativistische quantummechanica te beschrijven. Maar de hamvraag is natuurlijk hoe goed die parameters, en dus die voorspellingen, zijn. Hoe bepalen we dat?

Vanwege de onzekerheid in de metingen, de onzekerheid over de mate van wederzijdse beïnvloeding van allerlei processen en de onbekendheid ervan kan de kwaliteit van de modeluitkomsten slechts ingeschat worden door ze te vergelijken met zo lang mogelijke en zo betrouwbaar mogelijk reeksen meetgegevens. Vaak worden daarvoor temperatuurgegevens genomen, waar ook nog het nodige op af te dingen is. Nu lijkt de waarde van een gemiddelde temperatuur voor een hele planeet misschien niet erg maatgevend, maar vooruit. Probleem is nu dat de discrepanties tussen modeluitkomsten en meetseries, zeker over langere tijd en zeker bij de satellietmetingen, aanzienlijk zijn.

De hoofdstroom binnen de klimatologie houdt er ongeveer de volgende redenering op na. Hoe de gemiddelde temperatuur tot stand komt, is gecompliceerd, maar niet belangrijk. Belangrijk is de verandering van de temperatuur. Die moet veroorzaakt zijn door verandering in een of meer subprocessen. Als je je dan afvraagt welke gemeten parameters veranderd zijn, dan komt men op de broeikasgassen met CO₂ als meest direct aan menselijke activiteit te relateren grootheid. Impliciet is de aanname dat andere parameters niet zijn veranderd. Dat nu is een onverantwoorde aanname. Geologisch en astronomisch gezien is de periode van de Romeinse tijd tot nu erg kort. En in die korte periode hebben we een warme Romeinse tijd gehad, gevolgd door een afkoeling van ~ 1 graad C, daarna een warme Middeleeuwse periode, vervolgens een ‘Kleine IJstijd’ en daarna weer opwarming voorlopig tot 1998 en sindsdien een 20 jaar durende gelijkblijvende temperatuur. Geen van deze veranderingen correleert over zijn hele periode met de atmosferische CO₂-concentratie. Deze ‘inconvenient truth’ leidt helaas tot paniekreacties. Gekozen wordt dan regelmatig voor ‘homogenisering’ van de waarnemingen. Dit komt neer op het herschrijven van de waarnemingsgeschiedenis en het verwijderen of gladstrijken van onwelgevallige resultaten, op een nogal onnaspeurbare wijze. Daar zijn hierboven al kritische noten over gekraakt.

De conclusie moet dus luiden dat die modellen de werkelijkheid niet goed beschrijven, en dat dus lange termijn voorspellingen vooralsnog (maar misschien wel altijd) op los zand gebouwd zullen zijn. Daar volgt onontkoombaar uit dat de lange-termijn voorspellingen van de huidige hoofdstroommodellen onbetrouwbaar zijn. Wat overigens onder fysici een bekende uitspraak is, is dat je met voldoende parameters ‘een olifant in een boom kunt laten klimmen’. Het is heel wel denkbaar dat er eerlang een model gemaakt wordt dat de komende 100 jaar goed voorspelt. Maar of dat model deugt, zullen we dan toch pas over een eeuw weten. Voor het zover is, zullen er met evenveel recht andere modellen zijn, die een tijdje het verloop goed simuleren, maar die er na honderd jaar flink naast zitten. En niemand kan tevoren verzekeren welk model we mogen vertrouwen. Ook de mogelijkheid dat bij een dermate complexe modellering als die van het klimaat van de aarde lange-termijn voorspelbaarheid principieel onmogelijk is, kan niet uitgesloten worden.

Een terzijde. Economische modellen hebben zeer veel gemeen met natuurwetenschappelijke modellering, zeker waar het de onderliggende wiskunde betreft. Het gaat altijd om het oplossen van stelsels gekoppelde differentiaalvergelijkingen waarbij problemen met singuliere punten en chaos altijd op de loer liggen. Toch kennen wij niemand, zeker ook geen enkele econoom, die met droge ogen betoogt dat deze modellen voorspellingen kunnen doen die een realiteitswaarde tot over 50 jaar of meer zullen hebben. Het is dan ook bizar dat een aantal natuurwetenschappers van mening is dat de huidige klimaatmodellen dat vermogen wel zouden hebben.

Ter afronding

Doordat klimaatproblematiek en energieproblematiek onmogelijk los van elkaar gezien kunnen worden, zijn de bijbehorende economische belangen gigantisch. Dat geldt niet alleen voor een significant deel van het bedrijfsleven, maar zeker ook voor overheden. Nu is het voor een politicus verleidelijk om de kiezer voor te houden dat door zijn politieke toedoen de planeet en het leven van zijn kleinkinderen gered zal worden. Tegen de tijd dat de feiten hem in het ongelijk stellen, is hij al lang in vergetelheid. Maar de onwetende kiezer, die slechts met alarmistische verhalen geconfronteerd wordt, gelooft hem, zelfs als ter bekostiging van allerlei energie-illusies hem ongekende bedragen uit de zak geklopt worden. Hier wreekt zich het gebrek aan kennis bij het brede publiek en de politiek over de resultaten en methoden van de natuurwetenschap.

Klimatologie is een afschrikwekkend voorbeeld geworden van de vermenging van politiek en natuurwetenschap. Die vermenging tast de onafhankelijke wetenschap in haar fundamenten aan en voedt slechts het wantrouwen in natuurwetenschap. Maatschappelijk is dat zo langzamerhand een groot probleem geworden. Natuurwetenschap wordt gedegradeerd tot een mening als elk andere*. Het besef dat het juist de natuurwetenschap is geweest die onze samenleving in de afgelopen paar honderd jaar ongekende welvaart heeft gebracht en ons onnoemelijk veel voordelen heeft opgeleverd, dreigt door de huidige ontwikkelingen weer verloren te gaan. De toekomstige schade van die ontwikkeling valt moeilijk te overschatten. Overigens zouden natuurwetenschappers er goed aan doen bij zichzelf te rade te gaan. Door hun gebrek aan interesse in politieke processen is de ervaren bèta in de Nederlandse volksvertegenwoordiging een zeldzame diersoort.

Geladen op deze webstek: 2017 08 09.
C.A. de Lange
C. le Pair
H. Labohm
D. Thoenes
K. de Groot
F. Udo
M. Winnink**

Noot (later toegevoegd)

*)  Verwijzingen toegevoegd na publicatie op Climategate:
C. le Pair beschreef die trend in zijn boek "De Toekomst achter ons", BetaText, Bergen NH 2011, ISBN 978-90-75541-00-7.
A. Rörsch behandelde in "Science Friction", Elmar BV, Delft 2016, ISBN 978 90389 2553 0, diepgaand de interne wetenschapscrisis en gevolgen voor de samenleving.

**) M. Winnink ondertekende later.