Nieuwe rekenregel verklaart hoe wervelingen in de lucht warmte over de aarde verspreiden

Denk aan de weerkaart die je op tv ziet: al die draaikolken van lagedrukgebieden die over Nederland trekken. Die wervelingen doen meer dan alleen regen brengen. Ze vervoeren warmte van de evenaar naar de polen. Zonder dat transport zou het bij ons veel kouder zijn en bij de evenaar nog warmer. Wetenschappers proberen al lang te begrijpen hoe dat precies werkt, en een nieuw onderzoek zet daar een belangrijke stap in.

Het gaat om de zogeheten macroturbulentie van de atmosfeer: het geheel van grote, chaotische luchtwervelingen die je op weerkaarten ziet als hoge- en lagedrukgebieden. Deze wervelingen bepalen hoeveel warmte er van warme naar koude gebieden stroomt. Klimaatmodellen hebben een goede beschrijving van dit proces nodig om te kunnen voorspellen hoe temperaturen over de aarde verdeeld zijn, nu en in de toekomst.

Bestaande rekenregels voor dit warmtetransport gaan uit van een situatie die natuurkundigen "supercritisch" noemen: een toestand waarin de wervelingen heel sterk en chaotisch zijn, met energie die als het ware van kleine naar steeds grotere wervelingen stroomt (een zogeheten inverse cascade). Het probleem is dat de atmosfeer van de aarde, en van planeten in het algemeen, vaak helemaal niet in zo'n extreme toestand verkeert. De oude regels kloppen dan niet goed.

Honderden simulaties doorgerekend

Eén onderzoeksteam heeft daarom honderden vereenvoudigde computersimulaties van een planeetatmosfeer doorgerekend. Ze varieerden daarbij dingen als de draaisnelheid van de planeet, het temperatuurverschil tussen evenaar en polen, de opbouw van de lucht in hoogtelagen, en de seizoenen. Wat bleek: de meeste simulaties zaten niet in die extreme "supercritische" toestand, maar in een tussenvorm die net op de grens balanceert. Voor die tussenvorm werkten de oude rekenregels niet.

De onderzoekers ontwikkelden daarom een nieuwe theorie die wel klopt voor deze tussenvorm. Die theorie gebruikt een getal dat de verhouding beschrijft tussen de draaiing van de planeet en de temperatuurverschillen erop, de zogeheten thermische Rossby-waarde. Met deze nieuwe rekenregel konden ze de warmtestroom door wervelingen goed voorspellen, zowel gemiddeld over de hele planeet als op specifieke plekken.

Om te testen of de theorie ook echt bruikbaar is, gebruikten de onderzoekers hem in een eenvoudig model dat de energiebalans van de aarde nabootst. Daarmee konden ze de wereldwijde temperatuurverdeling voorspellen voor allerlei verschillende klimaattoestanden, en dat lukte goed.

Wat betekent dit (nog) niet: Dit onderzoek is gedaan met vereenvoudigde computersimulaties van een droge atmosfeer, dus zonder waterdamp en wolken. De onderzoekers geven zelf aan dat de volgende stap is om de theorie ook te laten werken voor een vochtige atmosfeer, zoals die van de echte aarde. Het gaat hier bovendien om een theoretisch model, niet om een directe meting van het klimaat. De bevindingen zeggen dus nog niets rechtstreeks over hoeveel de temperatuur ergens zal stijgen door klimaatverandering. Het is vooral gereedschap waarmee klimaatwetenschappers hun modellen kunnen verbeteren.

Voor de klimaatwetenschap is dit vooral belangrijk omdat een beter begrip van warmtetransport door wervelingen kan helpen om klimaatmodellen preciezer te maken. Die modellen worden weer gebruikt om toekomstige temperaturen en weerpatronen te voorspellen. Een nauwkeurigere basisformule voor dit warmtetransport kan dus op termijn bijdragen aan betere klimaatvoorspellingen, al is er nog vervolgonderzoek nodig voordat dit direct te vertalen is naar concrete temperatuurschattingen voor de aarde.

Bron: A scaling theory for the macroturbulence of weakly supercritical planetary atmosphers