Uit de drup

Het aantal en de grootte van de waterdruppeltjes in wolken worden beïnvloed door de rook die wordt uitgestoten door industriële complexen. Vervuiling beïnvloedt op mondiale schaal de regen- en wolkenvorming.

Het mondiale gebruik van kolen, olie en gas als brandstof heeft een veel grotere invloed op het klimaat dan lange tijd is aangenomen. Niet alleen versterkt het gevormde CO2 (kooldioxide) het natuurlijke broeikaseffect en beïnvloedt het vaak tegelijk gevormde SO2 (zwaveldioxide) het weerkaatsend vermogen van lucht en wolken, het begint nu ook aannemelijk te worden dat rook en rookgassen een belangrijke invloed hebben op de levensduur van wolken en de vorming van neerslag.

Dat blijkt uit een artikel van de Israelische onderzoeker Daniel Rosenfeld in Science van 10 maart. De aan de Hebrew University verbonden Rosenfeld analyseerde de meteorologische waarnemingen van twee verschillende satellieten en ontdekte dat de wolken aan de lijzijde van grote industriële complexen in Turkije, Canada en Australië een opvallend andere samenstelling hebben dan aan de loefzijde. Bovendien viel er uit de door rookgassen vervuilde wolken boven Australië beduidend minder regen. De invloed van de vervuilingsbronnen strekt zich tot enige honderden kilometers uit. Daardoor is het niet onaannemelijk dat de regen- en wolkvorming op mondiale schaal door vervuiling wordt beïnvloed.

Het is, schrijft Rosenfeld, voor het eerst dat rechtstreeks is aangetoond hoe de `microstructuur' van wolken (het aantal en de grootte van de wolkdruppeltjes) boven land wordt beïnvloed door aanwijsbare bronnen van vervuiling, zoals grote industriële conglomeraten (hoogovens, centrales) of steden met veel verkeer. En dat tegelijk de onderdrukking van de regenval in die vervuilingspluimen rechtstreeks is zichtbaar gemaakt.

De directe aanleiding voor het soort onderzoek waar Rosenfeld zich (met zijn medewerker Itamar Lensky) in begaf, zijn de opvallende uitkomsten van het onderzoek aan de vervuilingspluimen die schepen op de grote oceanen achter zich aan slepen. Al in 1966 bleek uit satellietopnamen dat de routes die schepen kiezen over de oceaan geregeld zijn terug te vinden in het wolkendek waar ze onderdoor varen. De eerste waarnemingen lieten een effect zien dat ook, en veel beter, van vliegtuigen bekend is: in een wolkeloze hemel wekt scheepsrook soms een condensatiespoor op. Later bleek dat de rook van schepen veel vaker de microstructuur van al aanwezige wolken verandert. In een al bestaand laaghangend en aansluitend wolkendek (van een boven oceanen veel voorkomende soort die meestal als `stratocumulus' wordt beschreven) wekken de schepen hardnekkige wolkenbanen op die, gefotografeerd in gewoon licht, opvallend helder oplichten ten opzichte van de omgeving: het zonlicht wordt er beter weerkaatst.

Aanvankelijk is de waarneming als curiositeit beschouwd, van lieverlee is men zich meer in het mechanisme achter, en de consequenties van, de speciale wolkvorming gaan verdiepen. Door de Amerikaan Lawrence Radke en zijn medewerkers zijn op 1 december 1989 in Science de resultaten beschreven van het zogenoemde FIRE-experiment van 1987, waarbij een aantal `ship trails' (ook `ship plumes' of `ship tracks' genoemd) die door een NOAA-weersatelliet ten westen van Californië waren waargenomen nog geen half uur later door een onderzoeksvliegtuig werden opgezocht en bemonsterd.

rookdeeltjes

In de wolken die onder invloed van de scheepsrook waren veranderd bleek niet alleen het totaal aantal `deeltjes' (waaronder dus ook de rookdeeltjes zelf) sterk verhoogd, maar ook het aantal wolkendruppeltjes. Tegelijk bleek wonderlijk genoeg de totale hoeveelheid vloeibaar water die in de vorm van druppeltjes in dat wolkgedeelte was vastgelegd te zijn gestegen.

Uit het totaal watergehalte en het aantal druppeltjes zijn met relatief eenvoudige bewerkingen gemiddelde, modus en mediaan van de grote verscheidenheid aan druppeldiameters af te leiden. In de scheepspluimen bleek de druppelgrootte erg te zijn afgenomen.

Ongeacht de evidente samenhang tussen de typische wolkenbanen en het voorbijvaren van schepen onder het laaghangende wolkendek is door Radke uitgerekend of scheepsrook überhaupt wel genoeg deeltjes bevat voor het oproepen van het waargenomen effect. Omdat wolkendruppeltjes altijd op zogenoemde condensatiekernen (CCN's) ontstaan, zouden er op zijn minst voldoende rookdeeltjes moeten worden uitgestoten om de toename aan wolkendruppeltjes te kunnen verklaren. Zo eenvoudig bleek het niet te liggen: de rook bevat ruwweg tienmaal minder deeltjes dan er minstens nodig zijn. Aangenomen wordt daarom dat in de rookgassen van de scheepsmotoren pas achteraf en heel geleidelijk de deeltjes of druppeltjes ontstaan die als condensatiekernen kunnen dienstdoen. Daarmee is ten dele ook de hardnekkigheid van de scheepssporen verklaard: er worden voortdurend nieuwe CCN's bij gevormd.

Vooruitlopend op het artikel van Radke had de Amerikaanse onderzoeker Bruce Albrecht, ook betrokken bij het FIRE-experiment, in Science van 15 september 1989 al aandacht besteed aan de wonderlijke stijging van het watergehalte van `vervuilde' wolken. Albrecht probeert in zijn artikel aannemelijk te maken dat luchtvervuiling de levensduur van wolken verlengt en langs die weg ook van invloed kan zijn op de totale wolkbedekking op aarde (wat in theorie de opwarming door het broeikaseffect kan neutraliseren). Hij brengt in herinnering dat al lang bekend was dat uit wolken boven zee veel makkelijker regen valt dan uit vrijwel identieke wolkensoorten boven land. Dat typische onderscheid is al in 1958 in verband gebracht met een belangrijk verschil in aanbod aan condensatiekernen: in de schone lucht boven zee is het aanbod CCN's veel lager dan boven land. Ook anderen hebben regelmatig het vermoeden uitgesproken dat de vorming van regendruppels zou afnemen als het aantal CCN's boven een drempelwaarde stijgt.

Dat laatste (overigens zonder extra waarnemingen) min of meer als feit aannemend komt Albrecht tot zijn hypothese dat het vuil uit scheepsschoorstenen als bron voor CCN's niet alleen de grootte van de wolkendruppeltjes beïnvloedt, maar ook de vorming van regendruppels. In en onder veel mariene stratocumulus-bewolking die niet al te dik is, valt een gestage motregen (drizzle) die per tijdseenheid ruwweg evenveel water uit de wolk afvoert als er door verdamping uit de zee in terechtkomt. Tegelijk voert die motregen ook veel CCN's af naar zee. Als een extra aanbod van CCN's de vorming van motregen vermindert kan het totaal aan CCN's makkelijk snel oplopen. Vervuiling kan dus een onevenredig sterke invloed hebben op de wolkvorming.

Daniel Rosenfeld van de Hebrew University verwijst in de inleiding van zijn recente artikel expliciet naar dit soort onderzoek, al vestigt hij ook de aandacht op allerlei onderzoek waaruit eerder een omgekeerde tendens is af te leiden: een relatie tussen luchtvervuiling en een toename van de regenkans. Zo verscheen er op 6 augustus 1998 in Nature een studie van de Amerikaanse onderzoekers Cerveny en Balling die een opvallende en overtuigende weekritmiek ontdekten in neerslag boven het zeegebied direct ten oosten van de Amerikaanse oostkust (gemeten over een periode van vier jaar). Zij brengen de ritmiek in verband met de weekritmiek in de luchtvervuiling van de grote steden aan de oostkust (die voor een deel door het vrije weekend wordt bepaald) en kunnen die ook laten zien. De variaties in vervuiling lopen synchroon met de variaties in neerslag. Hoe meer CO (koolmonoxide) en ozon er gemeten wordt, hoe meer regen er valt. (Overigens zou uit de waarnemingen juist weer een omgekeerd verband tussen vervuiling en regenkans kunen worden afgeleid als men aanneemt dat de veranderingen in de wolken enige dagen naijlen op de uitstoot van rookgassen.)

Rosenfelds studie was in feite een bureaustudie. De Amerikaanse NOAA-weersatellieten observeren het wolkendek met behulp van zogenoemde AVHRRstralingsmeters die de door de wolken afgegeven straling in vijf verschillende golflengtegebieden meten: één sensor voor het zichtbare licht, de rest voor het infrarood. Door de signalen uit de verschillende frequentiebanden op een vernuftige wijze te combineren kunnen met behulp van een computer afbeeldingen van het wolkendek worden bereid waarin de verschillen in druppelgrootte tot uiting komen.

Rosenfeld koos voor zijn analyse een aantal NOAA-opnames die in 1997 en 1998 werden gemaakt boven gebieden die relatief weinig zijn geïndustrialiseerd: Turkije, Canada en Australië. De installaties zoals raffinaderijen, bruinkoolcentrales, ertssmelters en staalfabrieken die daar met hun rookgassen de structuur van wolken zouden kunnen beïnvloeden liggen er als goed te onderscheiden puntbronnen geïsoleerd in een overigens voornamelijk onbewoonde of agrarische omgeving.

Het effect van de genoemde puntbronnen op de wolkenstructuur is onmiskenbaar, zoals uit een aantal in `false colour' uitgevoerde illustraties in Science blijkt. De invloed van de industrie op de wolken strekt zich uit tot meer dan tweehonderd kilometer van de bron. Rosenfeld gebruikte de AVHRR-waarnemingen ook om een schatting te maken van de druppelgrootte en stelde vast dat de druppels in de toppen van `vuile' wolken maar half zo groot zijn als in schone wolken.

regenradar

De conclusies werden bevestigd door de waarnemingen van de Japans-Amerikaanse TRMM-satelliet die eind november 1998 werd gelanceerd. De TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)-satelliet heeft een regenradar aan boord waarmee Rosenfeld al in 1999 liet zien dat rook van brandende vegetatie de vorming van regen onderdrukt. Voor het recente Science-artikel gebruikte hij radarwaarnemingen die boven Australië waren gemaakt. Overtuigend tonen de radarwaarnemingen aan dat de regenvorming ook binnen de vervuilde langgestrekte wolkenbanden sterk is onderdrukt.

Het was maar een verkennend onderzoek, maar omineus is Rosenfelds terloopse suggestie dat op veel andere, meer geïndustrialiseerde gebieden op aarde minder makkelijk vervuilingspluimen worden gevonden omdat daar misschien àlle wolken onder invloed staan van vervuiling. Voor de vermaarde modellenbouwers, die toch al moeite hebben in hun klimaatmodellen de juiste soorten wolken te laten ontstaan, is dit slecht èn goed nieuws, zegt klimaatonderzoeker dr. R. van Dorland van het KNMI. Enerzijds betekent het een hoop extra werk om de nieuwe inzichten in de modellen onder te brengen, anderzijds kan het de betrouwbaarheid van hun voorspellingen geweldig vergroten.