Tussen 1685 en 1976 volgde de temperatuur het verloop van de totale zonnestraling

Zonneminima tonen de kern van de relatie tussen de zon en de aardse temperatuur

19-2-2021

Tussen 1685 en 1976 volgde de temperatuur het verloop van de totale zonnestraling

Een bijdrage van Martijn van Mensvoort.

Voor een eerdere bijdrage zie hier.

Binnen de 22-jarige cyclus van de zon tonen de positieve minima in de periode vanaf het Maunder minimum (einde 17de eeuw) t/m eind jaren ’70 een bijna perfecte correlatie met het verloop van de mondiale temperatuur.

De relatie tussen de zon en het verloop van de mondiale temperatuur kan eenvoudig beter worden begrepen door rekening te houden met de belangrijkste cyclus van de zon, namelijk: de magnetische Hale cyclus – welke afgelopen drie eeuwen een lengte heeft gehad van gemiddeld ongeveer 22,2 jaar. Op basis van de LISIRD dataset voor de totale zonnestraling en de 2 Degrees Institute dataset voor de mondiale temperatuur (welke voor de periode vanaf 1880 is gebaseerd op de GISS dataset op de website van de NASA) wordt beschreven dat de positieve zonneminimum jaren (de magnetische polen van de zon bevinden zich dan in hun oorspronkelijke positie) een welhaast perfecte correlatie tonen gedurende een periode van bijna 3 eeuwen. De zon verklaart tevens bijna de helft (46,5%) van de 1,68°C temperatuur stijging die in de periode 1685-2017 is ontstaan. Dit resultaat wordt vervolgens in perspectief geplaatst van gletsjer onderzoek uit 2010 waaruit blijkt dat na een fase correctie de zon tussen 1700 en 2000 bij benadering de helft tot mogelijk zelfs meer dan 80% van de temperatuurstijging kan verklaren.

De drie panels in figuur 1 beschrijven het fundament van de relatie tussen de zon en de temperatuur. Het bovenste panel beschrijft de LISIRD dataset voor de totale zonnestraling en het middelste panel beschrijft de temperatuur dataset van het 2 Degrees Institute; uit het onderste panel blijkt dat de zon en de temperatuur bij de positieve minima bij benadering hetzelfde verloop tonen in de periode 1685-1976.

Uit het onderste panel blijkt tevens dat de zon in de 41-jarige periode 1976-2017 een significante bijdrage van ongeveer 22% heeft geleverd aan de temperatuurstijging; het gaat om een bijdrage van 0,225 °C in de totale stijging van 1,02 °C. Voor de periode 1996-2017 loopt de bijdrage van de zon zelfs al weer op tot 44% van de temperatuurstijging, namelijk: 0,261 °C van de totale stijging van 0,59 °C. De gehele periode 1685-2017 toont een netto opwarming van 1,68 °C, waarvan 0,78 °C (= 46,5%) kan worden verklaart door de activiteit van de zon. Opvallend is verder dat in de periode 1976-1996 de grootste temperatuurstijging is ontstaan bovenop de activiteit van de zon; dit betreft overigens de periode waarin het gat in de ozonlaag is ontstaan.

Hierbij is rekening gehouden met een fenomeen dat nog niet eerder is beschreven, namelijk: het ontstaan van tijdelijke faseverschillen tussen de zon en de temperatuur, welke zich manifesteren in 3 unieke periodes rond respectievelijk de positieve minima bij de jaren 1733, 1798 en 1843 (zie figuur 2). Wanneer deze 3 unieke periodes worden genegeerd dan toont de periode 1685-1976 een zeer hoge correlatie met een waarde van 0,984; echter, wanneer dit fenomeen buiten beschouwing blijft dan zakt de correlatie naar een waarde van 0,746 (zie figuur 1). De periodes rond deze drie jaren tonen voor de totale zonnestraling tijdens een Hale cyclus op basis van de negatieve minima, een tijdelijke neerwaarts gerichte trend en dit geldt ook voor de tussenliggende maxima; terwijl rond alle andere positieve minima netto een positieve trend wordt aangetroffen.

 

Figuur 1: Het bovenste panel toont de LISIRD dataset voor de totale zonnestraling waarbij de positieve minima in roze of paars kleur zijn weergegeven (de paarse jaren tonen de piek en dal waarden in het bijbehorende trendkanaal). Het middelste panel beschrijft voor de mondiale temperatuur de dataset van het 2 Degrees Institute; het trendkanaal heeft betrekking op de positieve zonneminima. Het onderste panel toont enkel de waarden voor de positieve zonneminima. Wanneer de 3 periodes (rond de positieve minima 1733, 1798 en 1843) waarbij relatief grote fase verschillen worden aangetroffen tussen de zon en de temperatuur, buiten beschouwing blijven dan stijgt de correlatie van 0,746 naar 0,984. Tevens vallen bij benadering hierbij dan 8 van de 11 datapunten voor de zon en de temperatuur min of meer samen (maar liefst 6 van de 11 datapunten vallen zelfs vrijwel exact samen).

Figuur 2: Hale cyclus trends in de LISIRD dataset voor de totale zonnestraling; enkel rond de positieve minimum jaren 1733, 1798 en 1843 wordt bij zowel de omringende (negatieve) minima als de maxima een neerwaartse trend aangetroffen.

Variabele faseverschillen tussen de zon en de temperatuur

In 2010 werd door Nigel Weiss – hij is een autoriteit op het gebied van de fysica van zonnevlekken en de mechanismen die een cyclus van zonneactiviteit aansturen – dat na een fase correctie van 20 jaar voor de periode 1250-1850 een sterke correlatie wordt gevonden tussen de activiteit van de zon en de temperatuurontwikkeling in de ijskern van de Beloecha gletsjer, welke de top vormt van het Altaj gebergte (dit betreft de op één na hoogste top in Siberië), zie figuur 3. Het bovenste panel van figuur 3 beschrijft tevens dat de zon in de periode 1700-2000 bij benadering ongeveer de helft tot mogelijk zelfs meer dan 80% van de temperatuurstijging bij de Beloecha gletsjer kan verklaren. Dit wordt o.a. bevestigd door het voortdurende oscillerende verloop van zowel de proxies voor de invloed van de zon als ook de temperatuur, welke na de fase correctie ook bij de periode na 1850 zichtbaar is gebleven. Hieruit blijkt dat de zon in de periode na 1850 waarschijnlijk een relevante bijdrage heeft geleverd aan de stijging van de temperatuur van de Beloecha gletsjer; dit impliceert dat deze stijging dus beslist niet geheel aan CO2 is toe te schrijven.

Zeer recent is het belang van faseverschillen ook beschreven in het boek van Prof. dr. Kees de Jager (SOLAR MAGNETIC VARIABILITY AND CLIMATE, december 2020). Uit de analyse van de Jager blijkt dat na een fase-correctie van 16 jaar de activiteit van de zon voor de periode tot 1920 een sterke correlatie toont met de ontwikkeling van de temperatuur op het noordelijk halfrond.

Figuur 3: Na een fase correctie van 20 jaar toont de activiteit van de zon voor de periode 1250-1850 een sterke correlatie met de temperatuurontwikkeling in de ijskern van de Beloecha gletsjer in Siberië. In het bovenste panel betreffen de grijze en groene stippellijn respectievelijk de isotopen 10Be en 18O, welke beide proxies vormen voor de activiteit van de zon. Uit het onderste panel blijkt dat in de periode vanaf 1850 slechts een (beperkt) deel van het temperatuurverloop kan worden verklaard door CO2; voorafgaand aan 1850 speelt CO2 ook duidelijk geen enkele rol bij het oscillerende verloop van de temperatuur van de gletsjer.

Een variabele zonnegevoeligheid

De zonnegevoeligheid betreft de omvang van de mondiale temperatuur respons t.g.v. fluctuaties in de totale zonnestraling. De verhouding tussen de schalen in het onderste panel van figuur 1 (welke is vastgesteld m.b.v. een enkelvoudige regressie analyse) suggereert dat bij de positieve zonneminima sprake is van een zonnegevoeligheid van 0,83 °C per W/m2. Deze waarde is (slechts) iets hoger dan de waarde van 0,67 °C per W/m2 die door Astronoom Greg Kopp van de Universiteit van Colorado wordt beschreven voor de zonnegevoeligheid op basis van de 11-jarige zonnecyclus, zie figuur 4. Hieruit blijkt dat de temperatuur respons in reactie op fluctuaties in de activiteit van de zon voor het lange termijn perspectief van de afgelopen 3 eeuwen duidelijk wat hoger is t.o.v. het korte termijn perspectief van de 11-jarige zonnecyclus (= Schwabe cyclus).

Een voorgaande analyse gericht op de temperatuur van het zeeoppervlak heeft op basis van de combinatie van positieve en negatieve zonneminima uitgewezen dat de zonnegevoeligheid bij het zeewater waarschijnlijk nog hoger is, namelijk: 1,143 ± 0,23 °C per W/m2. Hierbij kan de zon zelfs meer dan de helft van de opwarming verklaren sinds het Maunder minimum rond het einde van de 17de eeuw (preprint paper: van Mensvoort, 2020). Tevens is bij de experts reeds lang bekend dat de zonnegevoeligheid onder invloed van de bufferwerking van het oceaan systeem sterk afhankelijk is van de lengte van het gebruikte perspectief. Dit verklaart grotendeels waarom deze voor een lange termijn perspectief meestal duidelijk hoger blijkt te zijn dan voor een korte termijn perspectief; de groei en smeltprocessen van gletsjers spelen hierbij een soortgelijke rol omdat ook hierbij veel energie van de zon werkzaam is.

Overigens, zowel voor de mondiale temperatuur van de atmosfeer als de oppervlakte temperatuur van het zeewater zijn diverse datasets beschikbaar die bij het positieve minimum van 1976 een lagere waarde tonen t.o.v. het voorgaande positieve minimum van 1954. In het onderste panel van figuur 1 kan daarom het relatief kleine verschil in de trend richting van de zon en de temperatuur bij de overgang tussen 1954 naar 1976 niet éénduidig worden geïnterpreteerd, o.a. omdat dit verschil qua omvang vergelijkbaar is met bijvoorbeeld de overgang van 1912 naar 1933 (welke immers geen duidelijke afwijking toont bij de trend van beide factoren).

Figuur 4: Astronoom Greg Kopp beschrijft een zonnegevoeligheid van 0,67 °C per W/m2 voor de 11-jarige zonnecyclus.

Zonneminima tonen de kern van de relatie tussen de zon en de aardse temperatuur

De hierboven beschreven resultaten tonen een beeld waaruit blijkt dat de kern van de relatie tussen de activiteit van de zon en de temperatuur wordt aangetroffen bij de (positieve) zonneminima. Daarnaast vormen faseverschillen tussen de zon en de temperatuur een factor van belang om rekening mee te houden. T.a.v. de positieve minima in de periode van 1685 t/m 1976 blijken faseverschillen een impact te hebben gehad die slechts van tijdelijke aard is geweest. Het verloop van de positieve zonneminima toont hierbij een tweevoudige oscillatie die ook duidelijk zichtbaar is bij het verloop van de temperatuur dataset van het 2 Degrees Institute. Aangezien meer dan de helft van de oscillerende waarden bij benadering met elkaar overlapt lijkt de kans bijzonder klein dat dit fenomeen aan toeval kan worden toegeschreven.

De variabele en langdurige faseverschillen die door Weiss en de Jager zijn beschreven lijken logischerwijs daarom vooral samen te hangen met de fluctuaties t.g.v. zonnevlekken (ofwel de equatoriale magnetische component van de zon). Mogelijk dat de wisseling van de magnetische zonnepolen (ofwel de poloïdale magnetische component van de zon) hierbij ook een rol speelt; want de aa-index die hierbij als proxy functioneert toont een verloop dat bij benadering lijkt op het verloop van de zonnevlekken, ofschoon ook hierbij faseverschillen in de orde van enkele jaren een rol spelen. Dit zou kunnen betekenen dat de derde magnetische component (de granules, welke ook worden getoond door de gif-animatie bovenaan dit artikel) mogelijk in hoge mate verantwoordelijk zouden kunnen blijken te zijn voor het ontstaan van de welhaast perfecte correlaties die worden aangetroffen tussen de TSI zonneminima en de temperatuur. Omdat voor de derde component nog geen proxies beschikbaar zijn voor de periode voorafgaand aan het satelliettijdperk, kan niet worden uitgesloten dat in de reconstructies voor de activiteit van de zon voorafgaand aan het satelliettijdperk een significante component ontbreekt – zoals bijvoorbeeld reeds door de TSI reconstructie van Hoyt & Schatten (1993) werd gesuggereerd, welke is gebaseerd op een groter aantal componenten in de activiteit van de zon. Bij de PMOD methode die in het AR5 rapport (2013) van het IPCC is gebruikt wordt daarentegen enkel rekening gehouden met de invloed van de equatoriale & poloïdale magnetische velden van de zon.

Het cruciale belang van de zonneminima binnen de Hale cyclus vormt om een breed scala van redenen geen verrassing. Enerzijds heeft dit o.a. te maken met het feit dat de minima kunnen worden herkend als de meeste stabiele fase van de zonnecyclus, waardoor een vergelijking tussen de impact van de minima logischerwijs tot een meer stabiel resultaat leidt t.o.v. een vergelijking tussen de maxima (die tot stand komen onder invloed van meer complexe processen in de magnetische activiteit van de zon). Tevens is al lang bekend dat de minima een meer betrouwbare indicator vormen voor de lange termijn trend dan bij de maxima het geval is. Daarnaast is bijvoorbeeld ook bekend dat de impact van ‘grand solar minima’ (= langdurige periodes van lage zonneactiviteit) zich gemakkelijker laat bestuderen dan de impact van ‘grand solar maxima’ (= langdurige periodes van hoge zonneactiviteit). En ook de regel van Gnevyshev-Ohl vormt een indicatie dat bij de maxima binnen een Hale cyclus relatief grote structurele verschillen worden aangetroffen die gepaard gaan met zowel kortstondige- als langdurige faseverschillen met een duur van enkele of meerdere decennia.

Volgens het IPCC was sinds 1850 de invloed van de zon op de temperatuurontwikkeling nihil

Binnen het denkkader van het internationale panel van klimaatonderzoekers (IPCC) wordt enkel rekening gehouden met 11-jarige Schwabe cyclus van de zon; de 22-jarige Hale cyclus wordt in de rapporten van het IPCC daarentegen nergens genoemd. Bovendien houdt men hierbij ook geen rekening met de mogelijkheid dat al dan niet tijdelijke faseverschillen (t.g.v. o.a. de bufferwerking van met name het oceaan systeem en gletsjers) waarschijnlijk van cruciaal belang zijn om de relatie tussen de activiteit van de zon en de temperatuur beter te kunnen begrijpen. Verder toont men geen besef te hebben van de sterke correlaties tussen de zonneminima en het verloop van de temperatuur. Bovendien worden claims van experts genegeerd waaruit blijkt dat het signaal van de zon in de atmosfeer aanzienlijk wordt versterkt. Het denkkader van het IPCC veronderstelt daarentegen dat de relatie tussen de zon en de temperatuur op een lineair verband berust maar de analyse in dit artikel toont aan dat deze aanname zeer waarschijnlijk niet valide is omdat al dan niet tijdelijke faseverschillen hierbij een cruciale rol spelen.

Ondertussen bestaat tussen wetenschappers onderling op het hoogste niveau al ruim 2 decennia een splijtende controverse m.b.t. de invloed van de zon op het klimaat; voor ingewijden staat deze bekend als de PMOD-ACRIM controverse. Eind 2019 werd de PMOD dataset voor de totale zonnestraling zoals weergegeven in figuur 5 (welke in 2013 de basis vormde voor de conclusies in het AR5 rapport van het IPCC) in een publicatie van Scafetta et al. zelfs omschreven als een methode die berust op een politieke voorkeur i.p.v. wetenschappelijke argumenten, omdat de PMOD dataset feitelijk op proxies is gebaseerd want deze kan niet kan worden gereproduceerd op basis van satellietdata.

Samengevat wordt in het denkkader van het IPCC verondersteld dat er sprake is van een lineair verband tussen de zon en de temperatuur. Hierbij wordt geen rekening gehouden met het gegeven dat de volgende zaken welhaast zeker een significante rol spelen in de relatie tussen de activiteit van de zon en de temperatuur (eerder werd HIER een meer uitgebreide lijst met 9 punten gepresenteerd waarin toen der tijd het derde punt hieronder nog ontbrak):

• 1 – De invloed van de 22-jarige Hale cyclus wordt genegeerd (die de basis vormt van de 11-jarige zonnevlekkencyclus);
• 2 – Er wordt geen rekening gehouden met de trend bij de relatief stabiele zonneminima (de positieve minima tonen vanaf het Maunder minimum tot in de 2de helft van de 20ste eeuw een sterke correlatie met de temperatuur);
• 3 – Er wordt geen rekening gehouden met het bestaan van (al dan niet variabele) faseverschillen tussen de activiteit van de zon en de temperatuur.

Hieruit blijkt dat binnen de zienswijze van het IPCC diverse belangrijke zaken over het hoofd worden gezien. Dit verklaart waarschijnlijk grotendeels hoe een (onjuiste) beeldvorming heeft kunnen ontstaan waarin wordt suggereert dat de zon afgelopen 170 jaar nauwelijks een rol zou hebben gespeeld bij het ontstaan van de geleidelijke temperatuurstijging aan het aardoppervlak. Een soortgelijk beeld wordt ook getoond op de website van de NASA waarbij m.b.v. de PMOD dataset de indruk wordt gewekt dat de activiteit van de zon in de eerst twee decennia van de 21ste eeuw lager zou zijn geweest dan tijdens de laatste 2 decennia van de 19de eeuw (zie figuur 5). Echter, uit figuur 1 en figuur 3 blijkt dat dit beeld zeer waarschijnlijk onjuist is; de verklaring hiervoor mag worden gezocht in het feit dat de PMOD dataset is gebaseerd op slechts 2 aspecten van de activiteit van de zon (op basis van het equatoriale & poloïdale magnetische veld) waarbij de invloed van de derde component (granulen) bijvoorbeeld geheel over het hoofd wordt gezien.

In het algemeen kan worden gesteld dat de verschillen tussen de datasets grote invloed hebben op de mate waarin de ontwikkeling van de temperatuur door de zon kan worden verklaard; dit werd in 2013 reeds in detail beschreven door Greg Kopp in een seminar voor vakgenoten; figuur 6 toont hiervan een impressie.

Figuur 5: Temperatuur vs. zonneactiviteit volgens de NASA op basis van de PMOD dataset voor de totale zonnestraling. De PMOD dataset berust op slechts 2 componenten van de zon in combinatie met gebruik van proxies, wat resulteert in een beeld waarbij de minima sinds eind jaren ’70 een afname in de activiteit tonen. Op de website van de NASA wordt in een blog-artikel van februari 2020 de PMOD dataset beschreven in combinatie met de LISIRD dataset van Greg Kopp, zonder dat hierbij stil wordt gestaan bij het feit dat de minima van de LISIRD dataset een opwaarts verloop tonen vanaf de midden jaren ’80 (zie figuur 1 en figuur 2).

Figuur 6: LISIRD dataset auteur Greg Kopp beschrijft de controverse onder TSI experts over invloed van de zon op klimaatverandering tijdens een seminar (18 december 2013) voor vakgenoten; de verschillen in de getoonde datasets zijn representatief voor de PMOD-ACRIM controverse.