Dat er in een opwarmend klimaat regelmatig records sneuvelen ligt voor de hand. We zien ze regelmatig in het nieuws over bijvoorbeeld hoge temperaturen, lage waterstanden of een mogelijk recordbrekende El Niño. Er zijn ook records die minder aandacht krijgen. Over zo’n record schreef klimaatwetenschapper Andrew Dessler onlangs op zijn blog The Climate Brink: de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer was afgelopen augustus groter dan hij ooit was geweest, in elk geval sinds 1979. Omdat het heel onwaarschijnlijk is dat die hoeveelheid in de duizenden jaren daarvoor ooit groter is geweest, zal het ook een record zijn voor een veel langere periode. Het leek me een goede aanleiding voor een stuk over wat waterdamp in de atmosfeer allemaal doet in het klimaat. Dat is aardig wat.
Het verband tussen waterdamp en temperatuur
Eerst maar eens die duizenden jaren. De gemiddelde wereldtemperatuur is de afgelopen decennia zoveel gestegen, dat het vrijwel zeker is dat het nu warmer is dan ooit eerder het geval is geweest in het huidige interglaciaal, het Holoceen. Voor hogere temperaturen moeten we dus terug naar de periode voor de laatste ijstijd, meer dan 100.000 jaar geleden. En temperatuur en waterdamp in de atmosfeer hangen nauw met elkaar samen. Het is simpele, onbetwiste natuurkunde: warmere lucht kan meer waterdamp bevatten. Volgens de basale natuurkunde van de Clausius-Clapeyronvergelijking is dat ongeveer 7% meer met elke graad dat de temperatuur stijgt. Bedenk daarbij wel dat het gaat om hoeveel waterdamp lucht maximaal kan bevatten, het dus zeker geen wetmatigheid dat lucht altijd ook echt zo vochtig is. Maar het verband tussen temperatuur en waterdamp is toch duidelijk te zien in allerlei klimaatdata. Waterdamp volgt duidelijk de opwarming van het wereldklimaat, al lopen ze niet altijd exact synchroon. Er zijn nu eenmaal ook altijd andere variabelen die invloed hebben. De waterdamppiek in 1983 zou bijvoorbeeld wel eens te verklaren kunnen zijn door de combinatie van na-ijleffecten van een grote vulkaanuitbarsting (El Chichón in 1982) en een zeer sterke El Niño.
[caption id="attachment_370798" align="alignnone" width="500"] Verloop van gemiddelde mondiale temperatuur en atmosferische waterdamp in de maand augustus sinds 1979. Bron: Andrew Dessler, The Climate Brink.[/caption]
Ook de kaart hieronder laat het verband zien tussen temperatuur en waterdamp in de atmosfeer. Naast het verschil tussen hogere en lagere breedtegraden is ook de invloed van het hooggebergte te zien. Boven kilometershoge bergen blijft er simpelweg minder lucht over die nog waterdamp kan bevatten, en is die lucht ook nog eens kouder dan op vergelijkbare breedtegraden op zeeniveau.
[caption id="attachment_370796" align="alignnone" width="479"] Gemiddelde hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer voor de periode 1991 -2020. Bron: Andrew Dessler, The Climate Brink.[/caption]
Er is ook nog een seizoensvariatie van de hoeveelheid waterdamp die gekoppeld is aan de temperatuur. In de zomer op het noordelijk halfrond is de aarde warmer dan in de winter. Dat komt doordat er op het noordelijk halfrond veel meer land ligt, en land sneller opwarmt door de zon dan de oceanen. De piek ligt altijd in juli of augustus, zowel voor de temperatuur als voor waterdamp.
[caption id="attachment_370797" align="alignnone" width="480"] Gemiddelde hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer per maand sinds 1940. Bron: Climate Reanalyzer, Univesity of Maine.[/caption]
De hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer kan uitgedrukt worden in kilogram per vierkante meter of in millimeters, want die komen met elkaar overeen. Een kilogram water heeft namelijk een volume van een liter, en als je die uitgiet over een oppervlak van een vierkante meter krijg je een laagje water van een millimeter. Het record van afgelopen augustus bedraagt 27,35 mm, dat is 1,7 mm meer dan het gemiddelde voor augustus in de periode 1971 – 2000. Het is overigens niet de grootste afwijking van het maandgemiddelde uit de gegevensreeks. Die werd in september 2023 bereikt, met bijna 1,9 mm.
[caption id="attachment_370800" align="alignnone" width="480"] Afwijking van de maandgemiddelde hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer. Bron: Climate Reanalyzer, University of Maine.[/caption]
Neerslag, droogte en wolken
Met een statische atmosfeer zou het allemaal weinig uitmaken voor de waterhuishouding van de planeet. Door de dynamiek in de atmosfeer ontstaat de hydrologische cyclus: verdamping aan het aardoppervlak en condensatie hoger in de atmosfeer. Omdat een warmere atmosfeer meer water kan bevatten, pompt die cyclus dan meer water rond en dat leidt tot intensere neerslag. Ook dat was altijd al te zien in het klimaat. De intense hoosbuien die voorkomen in de tropen, of bij ons in de zomer, doen zich niet voor in koudere jaargetijden en gebieden. Aan de andere kant kan een warmere atmosfeer in droge gebieden of periodes ook meer water afvoeren middels verdamping. Het is simpele natuurkundige logica. Al net zo voor de hand liggend als het smelten van ijs bij hogere temperaturen. Een toename van zowel extreme neerslag als extreme droogte is dan ook een gevolg van klimaatverandering waar wetenschappers al vroeg op wezen. In 1990 wees het eerste IPCC-rapport er al op dat dergelijke veranderingen te verwachten waren, al kon er toen nog weinig gezegd worden over hoe dat op regionale schaal uit zou vallen.
Het is overigens niet zo dat de hoeveelheid neerslag en verdamping ook met 7% toenemen met elke graad dat het warmer wordt. Het is aanzienlijk minder, namelijk ongeveer 2%. Omdat waterdampmoleculen het meer naar hun zin hebben in warmere lucht, blijven ze daar langer zitten. Daardoor nemen neerslag en verdamping minder snel toe dan de hoeveelheid atmosferische waterdamp.
Meer waterdamp zorgt niet voor meer wolken, al lijkt dat op het eerste gezicht misschien ook logisch. Maar voor wolken heb je lucht nodig die oververzadigd is met waterdamp, en er is geen reden om aan te nemen dat die meer voor zal komen in een warmer klimaat. Je zou ook een simpele redenering kunnen bedenken die een tegenovergestelde conclusie oplevert: meer condensvorming zorgt ervoor dat wolkendruppeltjes sneller groeien en dus eerder uitregenen. De werkelijkheid is veel ingewikkelder: de vorming, het uitregenen of weer oplossen van bewolking wordt door een heleboel processen beïnvloed. Een stijging van de temperatuur en een sterkere hydrologische cyclus is daarom niet zomaar een op een te relateren aan meer of minder bewolking.
Sommige veranderingen in bewolking kunnen de opwarming versterken, terwijl andere die juist wat af kunnen zwakken. Het meeste onderzoek wijst op een versterkend effect van de optelsom van de verschillende veranderingen. Met nog wel een aanzienlijke mate van onzekerheid.
[caption id="attachment_370799" align="alignnone" width="500"] Schematische weergave van de invloed van opwarming op wolken. Bron: IPCC WG1 AR6 FAQ 7.2.[/caption]
Andere invloeden op de temperatuur
Waterdamp is een broeikasgas. Dat zal bij de meeste van onze lezers bekend zijn. Het vormt dus een versterkende terugkoppeling in het klimaat: bij een hogere temperatuur neemt de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer toe, en dat versterkt de opwarming. (Om even een misverstand recht te zetten dat ik laatst ergens las: het maakt voor die terugkoppeling niet uit wat de initiële oorzaak van de temperatuurstijging is. Er zijn mensen die hun eigen inzicht zo overschatten en klimaatwetenschappers zo onderschatten, dat ze denken dat volgens de klimaatwetenschap die terugkoppeling alleen op zou treden bij opwarming door broeikasgassen.)
Maar er is ook een andere kant. Waterdamp helpt om een deel van dat versterkende effect weer ongedaan te maken. Als water aan het aardoppervlak verdampt en hoog in de lucht condenseert, voert het daarmee warmte af van het aardoppervlak. Vanaf die grotere hoogte kan warmtestraling makkelijker aan het broeikaseffect ontsnappen en zo de atmosfeer verlaten. De warmte die vrijkomt bij condensatie helpt lucht ook nog om verder op te stijgen. Het is allemaal niet genoeg om de versterkende terugkoppeling ongedaan te maken, maar het helpt wel wat. Natuurlijk houdt die klimaatwetenschap hier rekening mee. Het is allemaal onderdeel van het radiatief-convectieve evenwicht.
Conclusie: er valt niet de ontsnappen aan natuurwetten
Niets of niemand ontsnapt aan het ijzeren regime van de natuurwetten; ook een complex systeem zoals het klimaat niet. Het betekent niet dat we op basis van wat simpele natuurwetten alles in het klimaat in detail kunnen voorspellen. Maar ze bepalen wel de grote lijnen. Zoals in dit geval dat warme lucht meer waterdamp op zal nemen, met als gevolg meer extreme neerslag én meer extreme droogte.
Droog wordt droger, nat wordt natter, dat is wat op mondiale schaal te verwachten is. Maar het hoeft niet te betekenen dat het overal precies zo zal lopen. Er zijn bijvoorbeeld aanwijzingen dat de zogenaamde Hadley-circulatie zich uitbreidt naar hogere breedtegraden. Die circulatie veroorzaakt zowel de overvloedige neerslag in de tropen als het droge klimaat in woestijnen rond de 30 graden noorder- en zuiderbreedte. Het gevolg zal zijn dat sommige woestijngebieden, die het dichtst bij de tropen liggen, een natter klimaat zullen krijgen. En op hogere breedtegraden zullen gebieden die nu nog een vrij nat, gematigd klimaat hebben juist veel droger worden.
Tenslotte is nog wel goed om te bedenken dat de toename van de hoeveelheid waterdamp in de lucht door opwarming het minst slechte scenario is. Het alternatief zou namelijk een sterk dalende relatieve vochtigheid zijn. Met als onvermijdelijk gevolg een geleidelijke uitdroging van de continenten. Hoe problematisch de gevolgen van de intensievere hydrologische cyclus ook mogen zijn, het alternatief zou nog rampzaliger zijn.
