Betrouwbaarheid en (on)zekerheden in het klimaat

‘The science is settled’. Met deze dooddoener worden veel debatten over het klimaat in de kiem gesmoord. Soms heeft dit tot gevolg dat mensen die met legitieme vragen zitten niet gehoord worden, ondanks het feit dat deze vragen al lang beantwoord zijn en de antwoorden gemakkelijk uit te leggen zijn. In het artikel Klooien met klimaatgrafieken  biedt Ferdinand Meeus ons geheel in zijn eigen stijl een mooie leidraad om enkele van deze vragen en bezwaren tegen de algemeen gangbare theorie rond het klimaat nader te onderzoeken.

Zijn de metingen wel nauwkeurig genoeg?

Zoals uitgelegd in mijn vorig artikel wordt de opwarming van de aarde weergegeven als en temperatuuranomalie, dus een afwijking van de temperatuur van het gemiddelde tussen 1961 en 1990. De waarde van de verschillen over korte periodes is klein: voor de periode 2003-2017 wordt bijvoorbeeld een opwarming van 0.24°C per decennium geciteerd. Bij het zien van zo’n kleine waarde komt spontaan de zeer terechte vraag: zijn de thermometers wel nauwkeurig genoeg om zo’n verschil te detecteren? Hiermee komen we bij het probleem van de meetfouten terecht.

De meetfout is de afwijking tussen de meting en de werkelijke waarde: zo kunnen we bijvoorbeeld 24,5°C meten terwijl de werkelijke temperatuur 24,2°C bedraagt, wat dus een meetfout van 0.3°C oplevert. De meetfout is dus verbonden aan één enkele meting. Doordat de meetfout een willekeurige component bevat, zullen we bij herhaalde metingen telkens een andere waarde bekomen. Al deze waardes liggen verspreid ten opzichte van het gemiddelde. Hoe meer metingen we uitvoeren, hoe dichter we bij de ‘echte’ waarde van dit gemiddelde komen. Dit gemiddelde kan echter nog altijd afwijken van de werkelijke temperatuur, door de zogenaamde systematische fout of bias, die verkleind kan worden door het toepassen van correcties.

Door de statistische studie van de resultaten van herhaalde metingen kunnen we de spreiding van die metingen in rekening brengen. Zo wordt de eerdergenoemde opwarming per decennium in het wetenschappelijk artikel volledig genoteerd als: 0.24°C ± 0.12°C met een betrouwbaarheid van 95%. De ‘± 0.12°C’ duidt de onzekerheid aan: dit is het interval waarbinnen we verwachten dat de werkelijke waarde ligt. De 95% is de betrouwbaarheid: de waarschijnlijkheid dat de werkelijke waarde binnen het gegeven interval ligt is 95%. Er is dus, op basis van de metingen en hun verwerking, nog 5% kans dat de werkelijke opwarming minder dan 0.12°C of meer dan 0.36°C bedraagt.

Dit wordt mooi geïllustreerd in de grafieken van Tim Osborn, waar de onzekerheid op de individuele jaren aangeduid wordt met verticale streepjes en de onzekerheid op het 10-jarig gemiddelde door de dikte van de blauwe lijn. We zien hier ook duidelijk dat door het gemiddelde te nemen van meer metingen, de onzekerheid op dit 10-jarig gemiddelde kleiner is dan die voor de aparte jaren. De onzekerheid neemt ook af voor recentere metingen, door het gebruik van betere meetinstrumenten zoals de meetboeien op zee. Maar zoals de grafiek toont maakt dat oudere metingen allerminst nutteloos:

Tim Osborn

De globale temperatuuranomalie, jaarlijks en 10-jarig gemiddelde met onzekerheid.

Het voorgaande maakt deel uit van de basiskennis in iedere wetenschappelijke opleiding. Meteorologen zijn dus goed op de hoogte van de problematiek rond de meetfouten. Door het nemen van gemiddeldes van een groot aantal metingen kunnen de vaak kleine verschillen toch betrouwbaar in rekening gebracht worden.

Warmt de aarde nu nog wel op?

In het eerder vermelde artikel over de AIRS satelliet-metingen wordt de gemiddelde verandering van de temperatuur per decennium (of de trend) als volgt samengevat voor verschillende sets metingen:

AIRS

Het IPCC AR5 WG1 (Box 2.2, Table 1) geeft deze trends ook over langere periodes, wat voor 1951-2012 bijvoorbeeld 0.106°C ± 0.027°C (90% betrouwbaarheid) per decennium oplevert, dus door de langere periode ook weer met flink verminderde onzekerheid. We zien dus dat op basis van de oppervlaktetemperatuur voor gelijk welke gegevensbron er voor de laatste decennia steeds een opwarming gedetecteerd wordt.

Door de focus op de metingen van de oppervlaktetemperatuur zouden we bijna vergeten dat 90% van de warmte uit de energie-onbalans opgenomen wordt door de oceanen. Sinds 1960 wordt deze bijdrage bijgehouden onder de vorm van de Ocean Heat Content (OHC). Hieruit blijkt eveneens een duidelijk stijgende trend:

Lijing Chen e.a. / Science Advances

De door de oceanen opgenomen warmte. Figuur uit Cheng, Lijing, et al. Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015. Science Advances 3.3 (2017)

Ook andere indicatoren, zoals het smelten van ijsmassa’s, wijzen op de verdere opwarming van de aarde.

Is dit niet allemaal veroorzaakt door El Niño?

Het warmste jaar sinds het begin van de metingen was 2016. Zoals bekend is dit ook een zogenaamd ‘El Niño-jaar’. El Niño is een natuurlijk fenomeen van veranderlijke oceaanstromingen, dat ervoor zorgt dat de atmosfeer extra opwarmt door warm water aan de oppervlakte van de oceaan. Het gaat dus om een herverdeling van warmte die al aanwezig is in het klimaatsysteem, maar als we kijken naar de oppervlaktetemperaturen (zoals de HadCRUT4 gegevens) kan dit een extra duwtje geven. Kan dit de oorzaak zijn van de stijgende lijn in de temperaturen?

Neen, doordat het in feite om een herverdeling van warmte gaat, is El Niño niet de oorzaak van de waargenomen opwarming. Dit wordt ook duidelijk als we het El Niño-effect aftrekken van de gemeten temperaturen:

Rosamund Pearce / Carbon Brief

Temperaturen met en zonder effect van El Niño. Bron: Interactive: How much does El Niño affect global temperature?

Merk op dat 2016 het warmste jaar blijft, ook na het aftrekken van het El Niño effect. Er zijn bovendien indicaties dat er de laatste decennia belangrijke veranderingen optreden met betrekking tot de frequentie en de intensiteit van El Niño.

Meten we wel al lang genoeg?

Een min of meer betrouwbaar beeld van de globale verandering van de temperatuur bestaat slechts sinds 1850, als we enkel rechtstreekse metingen van de temperatuur in rekening brengen. Dat is uiteraard veel te kort om te evalueren of de huidige opwarming ‘uitzonderlijk’ is. Gelukkig zijn er allerlei indicatoren die toelaten verder terug te gaan in de tijd. Dit is het domein van de paleoklimatologen. Ze maken bijvoorbeeld gebruik van ijsboringen en boomringen om een schatting te maken van de temperatuur in het verleden. Hoewel het altijd mogelijk is een paper te vinden met boomringen die geen opwarming tonen, moeten al deze studies samengevoegd worden om tot een globaal beeld te komen. We vinden dit bijvoorbeeld in het IPCC AR5 WG1, hoofdstuk 5:

IPCC AR5 WG1

Reconstructies van de temperatuur voor de voorbije 2000 jaar

Kunnen we hieruit met zekerheid zeggen dat het de laatste 2000 jaar nog nooit zo warm geweest is? Neen, maar de huidige temperaturen zijn duidelijk wel uitzonderlijk, zeker als we naar de natuurlijke factoren kijken die vorige stijgingen veroorzaakten: door toename van fijn stof en afname van de zonneactiviteit zou de aarde nu eigenlijk moeten afkoelen.

Klimaatverandering is toch van alle tijden?

We weten dat de aarde een opeenvolging van ijstijden en warmere periodes kent, veroorzaakt door cyclische veranderingen in de baan van de aarde. Dus waarom nu dan al die focus op CO2? Het probleem is dat die veranderingen in de baan alleen niet voldoende zijn om de verschillen in temperatuur te verklaren. Indien we echter ook rekening houden met CO2, dan kunnen we nagenoeg alle belangrijke klimaatveranderingen uit het verleden zeer goed verklaren (pdf). Dus ja, klimaatverandering is van alle tijden. Maar zoals Richard Alley zegt: dat bewijst dat het klimaat kan veranderen. CO2 is daarin een belangrijke knop, zo blijkt uit de geschiedenis, dus ook wij kunnen het klimaat veranderen.

Is het zeker dat wij nu een klimaatverandering veroorzaken?

Heeft de menselijke CO2-uitstoot een meetbaar effect op het klimaat? Die vraag werd 40 jaar geleden al gesteld en gaf mee de impuls voor het lanceren van satellieten die de temperatuur in brede lagen van de atmosfeer kunnen meten. Het grote voordeel van satellieten is dat ze overal kunnen meten op dezelfde manier. We krijgen dus een set gegevens met wereldwijde dekking. Al in 1979 werd bedacht hoe deze gegevens gebruikt kunnen worden om te detecteren of de temperatuur enkel verandert door natuurlijke effecten dan wel door onze CO2-uitstoot.

40 jaar later hebben we het resultaat van het experiment. Door de patronen in de variaties van de temperatuur te vergelijken met een hele set modellen van een aarde met en zonder extra CO2 komt naar voor dat er slechts een kans van één op 3,5 miljoen is dat de huidige opwarming enkel door natuurlijke variaties veroorzaakt werd. Het is belangrijk te beseffen dat dit niet gewoon een vergelijking is tussen grafieken zoals die in Figuur 1, maar een statistische vergelijking die rekening houdt met de verdeling van de temperatuur in zowel tijd als ruimte. Dat ziet er dus bijvoorbeeld zo uit:

NOAA STAR

Verdeling van de trends in de temperatuur voor verschillende lagen van de atmosfeer. Bron: STAR Microwave Sounding Calibration and Trends

Hoeveel verandert de temperatuur nu door onze uitstoot? Daar is wel nog werk aan de winkel: huidige schattingen (IPCC AR5, WG1, Box 12.2) komen uit op een stijging van 3°C ± 1.5°C bij een verdubbeling van de CO2-concentratie in de atmosfeer. Het verkleinen van de onzekerheid op dit resultaat is nog altijd het onderwerp van onderzoek.

Kan dat kwaad, 2°C warmer?

Door de studie van de vorige periodes tussen ijstijden hebben we een idee van hoe een warmere wereld er zou uitzien. Indien de globale temperatuur met 2°C zou stijgen geeft dit na verloop van tijd een zeespiegel die 4 tot 6 meter hoger ligt dan vandaag. Daar gaan we niet door uitsterven, maar het zal wel een grote impact op onze beschaving hebben. Op korte termijn kunnen we ons verwachten aan meer en intensere hittegolven, wat in 2003 al een dodelijk effect had.

Kunnen we exact zeggen wat de impact van de veranderingen zullen zijn? Neen. Maar alle huidige kennis wijst erop dat een paar graden erbij genoeg is om het klimaat grondig te veranderen. We weten ook genoeg om investeringen nu te rechtvaardigen, omdat we anders de generaties na ons opzadelen met nog veel grotere problemen.

Conclusie

Is ’the science settled’? Uit het voorgaande blijkt dat de werking van het klimaat ondertussen goed genoeg begrepen is om de mens boven elke redelijke twijfel verantwoordelijk te stellen voor de huidige opwarming. Er blijft wel nog veel werk om de overblijvende onzekerheden weg te werken, maar dit is geen excuus om niets te doen. Het blijven herhalen van dezelfde, al lang weerlegde fabeltjes om de opgebouwde kennis in twijfel te trekken is slechts een poging om noodzakelijke maatregelen uit te stellen. Het is hoog tijd om de discussie te voeren over effectieve maar billijke methodes om onze uitstoot terug te dringen, uiteraard met oog voor de sociale aspecten en de economie.

Dank aan Joris Meys voor de nuttige commentaren bij dit artikel.