Maak kennis met ‘de EHBO van het klimaatbeleid’: mechanische manipulatie van wolken.

Is het klimaat maakbaar? Als het aan hoogleraar atmosfeeronderzoek Herman Russchenberg aan de Technische Universiteit Delft ligt is dat zeker mogelijk. “Met mechanische manipulatie van wolken kunnen we het opwarmende effect van teveel CO2 compenseren.” Door het toevoegen van aerosolen aan permanent liggende wolkenvelden op aarde worden druppeltjes fijner waardoor er plaatselijk meer zonlicht weerkaatst. Deze techniek is hiermee ‘de EHBO van het klimaatbeleid’.

Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in het blad ZENIT, waarin je elke maand alles kunt lezen over sterrenkunde, weerkunde en ruimteonderzoek.

Drie opties (plus één)
“Wanneer we niets doen aan de uitstoot van CO2 is de kans dat de temperatuur aan het eind van deze eeuw meer dan vier graden stijgt groter dan 50 procent,” stelt Russchenberg. “Willen we de klimaatdoelstellingen van Parijs halen dan moet je zorgen dat de temperatuur veel minder dan 2 graden stijgt. Met een voortzetting van de huidige afspraken hebben we maar 8 procent kans die ambitie te halen. Wanneer we realistisch naar de klimaatmodellen kijken, is een temperatuurstijging van 3 graden waarschijnlijker.” Dan rijst vervolgens de vraag wat te doen wanneer het klimaat ondanks de afspraken evengoed sterker opwarmt? Zijn er daarnaast mogelijkheden om de aarde af te laten koelen? “Wanneer de heilige drie-eenheid van één: het monitoren van het klimaatsysteem, twee: het aanpassen aan de gevolgen van klimaatverandering, en drie: het verzachten daarvan door minder uitstoot van CO2, ontoereikend blijkt, moet je serieus gaan nadenken over climate engineering. Het manipuleren van wolken is dan een reële optie.”

Wolken in het klimaatsysteem
Om te weten hoe je wolken moet manipuleren om het klimaat af te koelen, moet je weten welke rol ze spelen in het klimaatsysteem. Russchenberg die onderzoek doet naar de rol van wolken, regen, aerosolen en stofdeeltjes, verduidelijkt met een treffend voorbeeld hoe groot deze rol is bij de wereldwijde temperatuurhuishouding: “Stel dat de aarde een atmosfeer zou hebben zonder broeikasgassen en wolken, dan zou de gemiddelde temperatuur -18 °C zijn. Voer je diezelfde berekening uit met de huidige concentratie broeikasgassen, dan kom je uit op +24 °C. De huidige gemiddelde temperatuur is echter 14 à 15 °C. Het verschil van 10 graden komt door de rol van bewolking in het klimaatsysteem.” De grote vraag die klimaatonderzoekers daarom stellen is hoe de afkoelende werking van wolken door het versterkte broeikaseffect wordt beïnvloed. “Daarom moet je eerst weten wat wolken precies doen in het klimaatsysteem,” aldus de wolkendokter.

Wanneer er in de atmosfeer van de aarde geen broeikasgassen en wolken zouden voorkomen, dan zou de gemiddelde temperatuur -18 °C zijn. Voert men dezelfde berekeningen uit met de huidige concentratie broeikasgassen, dan komt men uit op +24 °C. De huidige gemiddelde temperatuur op aarde is echter 14 à 15 °C. Het verschil van 10 graden komt door de rol van bewolking in het klimaatsysteem. Afbeelding: Mat Drummen.

Russchenberg geeft uitleg hoe wolkendruppeltjes een deel van de zonne-energie weerkaatsen, maar tevens warmte absorberen die vanaf de aarde komt. En een deel daarvan wordt weer naar de aarde teruggestraald. “Wolken warmen de aarde op en koelen deze tegelijkertijd af. Daarbij zijn wolken door verdamping en condensatie heel effectief in het verspreiden van energie op aarde. Door de opwarming verdampt meer water uit oceanen met als gevolg dat het wolkendek dikker wordt en er meer weerkaatsing is. Dit is een negatieve terugkoppeling. Wolken kunnen ook dunner worden doordat ze verdampen. Dan weerkaatst er minder zonlicht, hetgeen de opwarming versterkt. Dat noemen we een positieve terugkoppeling.” Ook kan het wolkendek plaatselijk openbreken, waardoor in de wolken daarnaast een cumulus-effect ontstaat. “Dat gebeurt vooral in de tropen. Door die gaten dringt meer zonlicht binnen.” Volgens de klimaatprofessor spelen deze mechanismen allemaal tegelijk op de aarde. “Maar hoe de balans is en hoe dit concreet uitpakt is nog een grote vraag.”

Dat het aanbrengen van stofdeeltjes op grote hoogte werkt heeft de natuur zelf al laten zien

Positieve terugkoppeling
Hoewel er nog onzekerheid is over de effecten van wolken in klimaatmodellen, geven alle modellen bij stijgende temperaturen een positieve terugkoppeling weer. “Alleen de mate waarin dit gebeurt varieert per model,” aldus Russchenberg. Van de gemiddeld 340 Watt per vierkante meter aan zonlicht dat de dampkring binnenkomt, wordt gemiddeld 20 procent direct door het wolkendek teruggekaatst. Iets minder van deze energie bereikt het aardoppervlak, warmt de aarde op, waardoor de aarde infrarode straling afgeeft. “Dat deel wordt geabsorbeerd door broeikasgassen,” verklaart de professor. De rest van de inkomende straling wordt geabsorbeerd of verspreid door stofdeeltjes, waterdamp en andere gassen. Door de toename van broeikasgassen raakt de energiebalans verstoord. Maar met mechanische manipulatie zou die positieve terugkoppeling als het aan Russchenberg ligt ongedaan gemaakt kunnen worden. Met manipulatie bedoelt de klimaatonderzoeker wat anders dan het verminderen van de CO2-uitstoot of het actief uit de atmosfeer halen van dit broeikasgas, ook wel negatieve emissies genoemd. “Bij negatieve emissies moet je denken aan het afvangen van CO2 met behulp van filters en ventilatoren en het in de ondergrond stoppen, of het gebruiken als grondstof voor nieuwe producten.” Een ander voorbeeld hiervan is het bemesten van oceanen. “Hierbij groeit de hoeveelheid plankton. Plankton leeft van CO2. Als dat doodgaat, zinkt het naar de oceaanbodem en ben je er ook vanaf,” meent Russchenberg. “Dit zijn allemaal methodes waar de wetenschap momenteel over nadenkt en waaraan gewerkt wordt.” Bij methodes waarbij het CO2-gehalte ongemoeid wordt gelaten, maar getracht wordt het zonlicht te weerkaatsen, moet je denken aan het aanbrengen van stofdeeltjes in de atmosfeer, het in een baan om de aarde brengen van grote reflectors of het manipuleren van wolken. “Een deel van deze methodes is nog sciencefiction. Met het verspreiden van stofdeeltjes en wolkenmanipulatie wordt volop geëxperimenteerd.”

Pinatubo
Dat het aanbrengen van stofdeeltjes op grote hoogte werkt, heeft de natuur zelf al laten zien volgens Russchenberg. Als voorbeeld noemt hij de uitbarsting van de vulkaan Pinatubo in 1991 op de Filippijnen. “Bij een krachtige vulkaanuitbarsting komt as in de stratosfeer te hangen. Door de wereldwijde circulatie verspreidt dit over de aardbol. Het stof houdt een deel van het zonlicht tegen. Bij deze grote uitbarstingen bleef de aswolk twee jaar lang hangen op een hoogte van 15 tot 25 kilometer, met als gevolg dat het een halve tot een hele graad koeler werd op aarde.” Dit gegeven heeft wetenschappers geïnspireerd zelf stof in de stratosfeer te brengen. Zo worden momenteel voorbereidingen getroffen om in het zuiden van de Verenigde Staten met behulp van ballonnen stof op grote hoogte te brengen en te meten hoe effectief dit zonlicht weerkaatst. En in Delft wordt serieus nagedacht over het ontwerpen van speciale vliegtuigen om stof op een effectieve manier in de stratosfeer te brengen. De klimaatprofessor: “Dat kost miljarden op jaarbasis, maar economisch en technisch gezien is het ten opzichte van de baten haalbaar.”

Door de uitbarsting van de Pinatubo in 1991 werd vulkanische as tot op een hoogte van 15 tot 25 km de atmosfeer in geblazen die daar twee jaar lang bleef hangen. Met als gevolg dat het tijdelijk een halve tot een hele graad koeler werd op aarde. Afbeelding: Dave Harlow, USGS / Wikipedia.

Vernevelen
Maar waarom zoveel kosten en moeite investeren om stof van bovenaf in de atmosfeer te brengen, wanneer het technisch ook mogelijk is wolken van onderaf te manipuleren? Dat dit werkt heeft de natuur ook reeds laten zien. De wolkendokter wijst naar de witte strepen in wolken die door de uitstoot van schepen op zee worden veroorzaakt. “De aerosolen van de rook komen in wolken terecht en veranderen hierdoor de reflectie-eigenschappen. Ze worden een beetje witter en weerkaatsen meer zonlicht.” Dit bracht wetenschappers op het idee om de aarde in plaats van op grote hoogte af te koelen, dit van onderop te gaan doen. Hierbij is het belangrijk te weten wat voor soort stof je moet gebruiken en welke grootte van de stofdeeltjes, wil je de wolkensamenstelling op de gewenste manier manipuleren. Russchenberg legt uit hoe dit mechanisme werkt: “Een wolk met veel kleine druppeltjes reflecteert veel meer zonlicht dan een wolk met grote druppels die dezelfde hoeveelheid water bevat.”
Wolken ontstaan doordat waterdamp rondom stofdeeltjes condenseert. “Met wolkenmanipulatie is het de bedoeling meer kleine druppeltjes te creëren, waardoor de wolk minder snel uitregent en het reflectievermogen van de wolk wordt verhoogd.” De beste methode om dit te doen, is volgens Russchenberg door het vernevelen en omhoog blazen van zeewater met futuristische schepen onder een wolkendek. Op de vraag waarom zeewater hiervoor geschikt is, antwoordt Russchenberg: “Zeezout is erg hygroscopisch en trekt veel water aan. Hiermee kan de druppelgrootte in wolken veranderd worden.” We hoeven echter niet te vrezen dat het straks zout water regent. “Regen die in Nederland valt komt van zee. De regendruppels zijn gevormd rondom zeezout. Maar die hoeveelheid is miniem. Er zal bij toepassing van deze techniek niet ineens zout water uit de wolken vallen. De verzilting van grondwater is een groter probleem,” stelt de wolkendokter gerust.

De aerosolen van de rook in de uitstoot van schepen komen in wolken terecht en veranderen hierdoor de reflectie-eigenschappen: ze worden een beetje witter en weerkaatsen meer zonlicht. Afbeelding: NASA / Jeff Schmaltz, LANCE / EOSDIS Rapid Response).

Proefgebieden
Op aarde zijn drie gebieden aangewezen die voor deze klimaattechniek geschikt zijn: voor de westkust van Noord-Amerika, Chili en Namibië. Russchenberg verklaart dat boven deze gebieden persistente wolkendekken hangen, die noodzakelijk zijn om het beoogde effect te bewerkstelligen. “Uit berekeningen van de klimaatmodellen blijkt dat door manipulatie van het wolkendek in deze gebieden het mogelijk is de aarde als geheel te laten afkoelen,” aldus de klimaatonderzoeker. Hij maakt het volgende rekensommetje: “Per gebied wordt er 40 à 50 Watt per vierkante meter zonlicht weerkaatst van de 340 Watt die er binnenkomt. Wanneer je de totale weerkaatsing van die drie gebieden middelt, kom je uit op een wereldwijd afkoelend effect van 3,7 Watt per vierkante meter gemiddeld op aarde. En dat is precies de opwarming die we nu hebben door het effect van teveel CO2 in de atmosfeer.”

Atoombommen in een orkaan
Menselijke pogingen om invloed uit te oefenen op het weer zijn niet beperkt gebleven tot het maken van regenwolken. Nadat de mensheid de kracht van atoombommen had leren kennen met de aanvallen op Hiroshima en Nagasaki ontstonden de wildste ideeën om met nucleaire techniek de natuur te beïnvloeden. Er waren plannen om met nucleaire kunstmatige ‘zonnen’ ervoor te zorgen dat er genoeg zon voor alle gewassen zou zijn en met explosies van atoombommen zou de loop van rivieren verlegd kunnen worden. De regering van de Amerikaanse president Eisenhower onderzocht in de jaren vijftig onder de codenaam Project Plowshare dit soort civiel gebruik van atoombommen. Tijdens deze onderzoeken werd ook het idee geopperd om een atoombom af te laten gaan in het oog van een orkaan. Volgens meteoroloog Jack Reed zou een bom van twintig megaton genoeg zijn om de luchtstromen in een orkaan dusdanig te verstoren dat de orkaan uiteen zou vallen. Tot experimenten kwam het echter niet. In dezelfde tijd werd namelijk steeds meer duidelijk over de gevolgen van de straling na een nucleaire explosie en niemand durfde het aan om zo veel nucleaire straling in een orkaan los te laten. Het risico dat een orkaan nucleaire straling over een immens gebied zou verspreiden, werd te groot geacht. Later werden experimenten definitief verboden door het Peaceful Nuclear Explosions Treaty, dat de Sovjet-Unie en de Verenigde Staten in 1976 sloten.

Maar die afkoeling door de manipulatie van het wolkendek is niet overal hetzelfde. “Volgens de klimaatmodellen zijn er veel regionale verschillen,” relativeert Russchenberg. Datzelfde geldt voor de regenval. “In Zuid-Amerika gaat er bijvoorbeeld minder regen vallen, terwijl er op bepaalde plekken in Afrika meer neerslag zal gaan vallen. Maar de totale hoeveelheid regenval op aarde verandert weinig.” Omdat het hier gaat om een techniek met een lokale toepassing maar met een wereldwijd effect, is het de vraag wie er beslist of en wanneer deze wordt toegepast. Wat zijn de consequenties van lokale klimaatveranderingen? Russchenberg: “Met deze techniek verander je regenpatronen en hiermee ook de leefomgeving. Wellicht moeten landbouwgebieden verplaatst worden. Hoe ga je om met de verdeling van de lasten en de lusten? Al deze vragen zullen door de politiek beantwoord moeten worden. Dat vraagt tijd. Daarom moet je er nu al over beginnen.”

Daarnaast moet de techniek veilig en omkeerbaar zijn. En de techniek mag geen excuus zijn ongebreideld door te gaan met de uitstoot van CO2. “Wanneer wolkenmanipulatie ongewenste resultaten oplevert, moet dit teruggedraaid kunnen worden,” stelt Russchenberg. De wolkendokter zegt dat wanneer je stopt met wolkenmanipulatie het effect binnen twee weken kan worden teruggedraaid. “Die eis moeten we wel stellen aan dit soort technieken.” Ondanks het feit dat het technisch gezien mogelijk is het opwarmende effect van teveel CO2 teniet te doen, haalt dit volgens de klimaatonderzoeker niet de noodzaak weg iets aan klimaatverandering te doen. “We zullen hoe dan ook moeten blijven inzetten op de reductie van CO2-emissies en zelfs negatieve emissies. Mocht de opwarming ondanks het klimaatakkoord toch uit de hand lopen, dan is het gerechtvaardigd om deze techniek te gebruiken. Al is het maar om de aarde tijdelijk af te laten koelen.”

Dit artikel verscheen eerder in het blad ZENIT. Enthousiast geworden? Als Scientias.nl-bezoeker ontvang je nu flinke korting op een proefabonnement!
In het magazine ZENIT lees je alles over sterrenkunde, ruimteonderzoek, weer en klimaat. Met iedere maand actuele ontwikkelingen uit de wetenschap beschreven door bekende onderzoekers. De redactie zit bovenop het nieuws en streeft ernaar dit in een breder verband te plaatsen. Neem nu een proefabonnement en ontvang een half jaar Zenit (zes nummers) voor slechts € 29,95. Het proefabonnement loopt automatisch af. Meer informatie kun je hier vinden.