De toestand

Recentelijk was er weer nieuws over een mogelijk verband tussen kosmische straling en bewolking op onze planeet.
Allereerst onderzoek bij de CERN deeltjesversneller bij Genève, die volgens sommige berichten onomstotelijk zou hebben aangetoond dat kosmische straling meer bewolking tot gevolg heeft. Verder een onderzoek van enkele Servische wetenschappers, die het verband onderzochten tussen snelle afnames van kosmische straling en bewolking, op basis van verschil in dag- en nachttemperatuur in Europa. Tenslotte een onderzoek uit de VS, waaruit dan weer blijkt dat meer kosmische straling de afgelopen jaren juist gepaard ging met minder bewolking. Met name het onderzoek van de Serviërs zal ik verderop bespreken.

Kosmische straling (galactic cosmic rays, GCR) bestaat uit elementaire deeltjes van buiten ons zonnestelsel die met zeer grote snelheid en zeer veel energie onder meer continu op de Aarde neerkomen. Een groot deel van die deeltjes komt waarschijnlijk vrij bij enorme explosies van sterren (supernova’s). Een deel van de kosmische straling kan ons zonnestelsel niet binnendringen omdat ook de zon voortdurend geladen deeltjes uitzendt (zonnewind), die een soort buffer vormen aan de rand van het zonnestelsel.

Forbush decrease
De zon ondergaat een ongeveer 11-jarige cyclus van verhoogde en verlaagde activiteit. Tijdens verhoogde activiteit (zonnemaximum) kan minder GCR onze planeet bereiken, tijdens verlaagde activiteit (zonneminimum) juist meer. Dit wordt ook daadwerkelijk gemeten. Van tijd tot tijd vinden op de zon uitbarstingen plaats. Deze zogeheten Coronal Mass Ejections (CME) kunnen niet alleen leiden tot fraai poollicht, maar zorgen er tegelijk voor dat gedurende enkele dagen veel minder kosmische straling onze planeet kan bereiken. Dat laatste staat bekend als een Forbush Decrease. De afname aan GCR is dan vaak veel groter dan het verschil in GCR tussen een zonnemaximum en -minimum.

Over wolkenvorming is veel bekend, maar er zijn ook nog veel hiaten in de kennis, met name hoe precies de allerkleinste druppeltjes gevormd worden. Kosmische straling heeft invloed op de vorming van geladen deeltjes (ionen) die weer van belang kunnen zijn voor de vorming van condensatiekernen. Vraag is hoe groot die invloed is. Voor sommige criticasters van klimaatverandering is het antwoord duidelijk. Vooral Svensmark meent dat variaties in GCR zorgen voor variaties in lagere bewolking, die dan weer zorgen voor variaties in temperatuur. Daarmee is volgens hem de opwarming van de laatste decennia te verklaren. Volgens deze theorie zorgt minder GCR voor minder lage bewolking, en meer GCR voor meer lage wolken.

CERN
Het CERN laboratorium bij Genève was recentelijk in het nieuws vanwege de mogelijke ontdekking van deeltjes met een hogere snelheid dan de lichtsnelheid. Maar er wordt daar op velerlei gebieden onderzoek gedaan. Een zo’n project heet CLOUD, en heeft als doel te onderzoeken of en in hoeverre kosmische straling de vorming van condensatiekernen beïnvloedt.
Vorige maand verscheen in het tijdschrift Nature een publicatie met de eerste resultaten van het project. Hoewel dit door sommigen direct werd betiteld als dé bevestiging van de invloed van GCR op klimaat en dus de ‘ondergang’ van CO2-effecten, blijkt dit absoluut niet het geval. GCR blijkt inderdaad invloed te hebben op de vorming van bepaalde deeltjes, maar die zijn zelf nog veel te klein om als condensatiekern te dienen. De minieme aerosolen die geproduceerd werden vormen maar een fractie van de aerosolen die zouden kunnen zorgen voor lagere bewolking. En juist die lagere bewolking zou volgens Svensmark gestimuleerd worden door GCR. Hoewel Svensmark mede een initiatiefnemer was van het CLOUD project, ontbreekt zijn naam in de lange lijst van onderzoekers in de publicatie.
Het CLOUD onderzoek is wel degelijk van belang voor inzicht in wolkenvorming. Een nuchtere bespreking van de resultaten tot dusver wordt gegeven op de site van RealClimate (zie hier en hier).

Forbush decrease en DTR
Nu de publicatie van Dragić et al., online verschenen in Astrophysics and Space Sciences Transactions. De onderzoekers merken terecht op dat metingen van hoeveelheid bewolking grote foutmarges hebben. Metingen vanaf een grondstation gebeurde vaak ‘op het oog’ door een waarnemer, met een schaalverdeling in achtsten. De onderzoekers gebruiken als meeteenheid daarom DTR (Diurnal Temperature Range, het dagelijkse verschil tussen maximum- en minimumtemperatuur) in plaats van de hoeveelheid bewolking. Bij minder bewolking is de DTR immers groter.
Over de periode 1954-1995 bestudeerden ze in totaal 185 gevallen van een Forbush Decrease (FD), met een amplitude van minimaal 3%. Daarnaast werd de dagelijkse DTR genomen van 189 Europese stations over dezelfde periode. Aangezien de DTR een jaarlijkse gang kent (laagst in de winter, hoogst in de zomer) werd de DTR hiervoor genormaliseerd.
Er wordt geen significant verschil in DTR gevonden, behalve wanneer alleen FD’s met een amplitude groter dan 7% worden bekeken (35 gevallen). Dan blijken de dagen 1 t/m 4 ná een FD een hogere DTR te hebben dan ‘normaal’ op zo’n dag, met een maximum van +0,38°C op dag 4. Volgens de onderzoekers is het verschil significant middels een t-test.

bewolking en DTR
Terecht memoreren de onderzoekers dat de DTR niet alleen bepaald wordt door de hoeveelheid bewolking. Ook van invloed zijn bodemvochtigheid, relatieve vochtigheid in de atmosfeer en dergelijke. Maar dit wordt niet uitgewerkt in het onderzoek, zodat de suggestie wordt gewekt dat DTR toch in elk geval grotendeels door bewolking wordt bepaald.
Dat is echter niet zo. Ik heb als voorbeeld de gegevens van Eelde genomen, eveneens over de periode 1954-1995 (bron: KNMI). Daarna zowel de dagelijkse DTR als de dagelijkse bewolking (N) gecorrigeerd voor de jaarlijkse gang (voor beide verschillend). De aldus genormaliseerde waarden noemen we hierna DTR en N.
Er is dan een significant verband tussen N en DTR, doch met een R van 0,40. Dat laatste betekent dat nog niet de helft van de variaties in DTR ‘verklaard’ kan worden door variaties in bewolking. Ook de door de onderzoekers vermelde studie van Dai et al. (1999) meldt dat bewolking van groot belang is voor de DTR, maar dat andere factoren ook een rol spelen, en dat het effect nogal verschilt per seizoen en per regio.

grote variatie
Evenmin bespreken de onderzoekers de enorme variaties in DTR die van dag tot dag optreden, onafhankelijk van een FD. Als we voor Eelde de ruwe data corrigeren voor de jaarlijkse gang tot DTR, is er nog altijd een standaard deviatie (Sd) van 3,1 °C.
Bekijken we dezelfde Eelde data om te zien hoe vaak de DTR op dag x+4 groter is dan op dag x, dan blijkt dit ongeveer de helft van alle dagen te betreffen (7737 van 15336). Het gemiddelde verschil in dergelijke ‘positieve situaties’ is 3,2 °C. In  het geval van ‘negatieve situaties’ (DTR op dag x+4 is lager dan op dag x) is het gemiddelde verschil -3,3 °C. Het gemiddelde verschil van álle dagen x+4 vergeleken met x is kleiner dan 0,01.
Oftewel: als er wat betreft DTR verschil is tussen een willekeurige dag x en 4 dagen erna, is het meestal een aanzienlijk verschil, gemiddeld ruim 3 graden, hetzij positief dan wel negatief.

dobbelen
Enkel door de 35 sterkste FD gebeurtenissen te gebruiken, vonden de onderzoekers een effect van gemiddeld +0,38° op dag 4 na een FD, volgens hen significant middels ’t-statistics’. 35 dagen uit in totaal ruim 15000 dagen (1954-1995). Hoe groot is de kans dat je bij een willekeurige selectie van 35 dagen over die periode ook een gemiddeld verschil van 0,38° of meer in DTR krijgt tussen dag x+4 en dag x? Als het om gegevens van één station gaat, zoals Eelde, is die kans niet bepaald klein, gezien de grote variantie.
Laten we eens wat gaan dobbelen met de gegevens van Eelde. We construeren (op de computer) een dobbelsteen met 15336 zijden (een voor elke dag in de periode 1954-1995 minus 4). We gooien 35 keer om een willekeurige dag x te krijgen, en berekenen dan de DTR[x+4] minus DTR[x] voor elk van die 35 dagen. Die verschillen middelen we tot een gemiddelde, die we difDTR noemen.
Natuurlijk zijn we niet men één gokje content, dus we herhalen het gedobbel 100.000 keer, zodat we 100.000 waarden voor difDTR krijgen, allemaal via toeval verkregen. Als we die waarden met een histogram plotten, zien we iets wat heel erg lijkt op een (klokvormige) normaal-verdeling. Even wat cijfers erbij: de laagste waarde is -3,17, het eerste kwartiel -0,48, het tweede kwartiel (mediaan) 0,00, het derde kwartiel +0,47 en het maximum +2,94. Dit betekent dat in 25% van de lukraak geworpen dobbelstenen er een waarde uitkomt van +0,47° of hoger voor een willekeurige serie van 35 dagen. Als we wat nauwkeuriger in percentielen indelen in plaats van kwartielen vinden we dat in 29% van de gevallen de waarde (puur toevallig) op +0,39° of hoger uitkomt.
De onderzoekers gebruiken echter niet één station, maar middelen over 189 meetstations om zoveel mogelijk plaatselijke ‘ruis’ uit te middelen. Doch ook in dat geval blijft een T-test mijns inziens een zwak middel om de significantie te beoordelen. Gezien het bovenstaande zou er beter gekeken moeten worden naar de kans dat een waarde van +0,38° puur bij toeval bereikt wordt.

willekeurig in Europa?
Enigszins duister blijkt de keuze van 189 stations. Volgens de onderzoekers zijn ze willekeurig gekozen uit Europese stations. Toch niet geheel willekeurig lijkt me, aangezien ze een fraaie geografische spreiding hebben, die van west naar oost uiteenloopt van Groenland tot Oost-Siberië. Dat is wel iets meer dan Europa, maar dat zal er mee te maken hebben dat Denemarken nog altijd de meetstations op Groenland beheert, en dat Rusland zich uitstrekt tot het verre oosten. En waarom een aantal van 189 en niet bijvoorbeeld 200? Wellicht is er een hele goede selectie gemaakt, maar schrijf dan niet dat het willekeurig is (“Stations were randomly selected, but cover the entire European region”).

GCR en bewolking de laatste decennia
In een onderzoek van Agee et al. (2011) is onderzocht hoe de laatste decennia kosmische straling en lagere bewolking zijn veranderd. De hoeveelheid kosmische straling fluctueert netjes met de zonnecycli: zonnemaximum, dan minder GCR, en andersom. De hoeveelheid bewolking wereldwijd wordt berekend door infrarood gegevens van verschillende weersatellieten te combineren (ISCCP project; gegevens sinds 1984). Tijdens de zonnecycli 22 en 23 leek de lagere bewolking ook wat te fluctueren, parallel aan de gang van de zon. Heel weinig, maar toch. Enkele onderzoekers vonden het significant, doch andere onderzoekers wezen onder meer op het feit dat in infrarood lage bewolking niet goed is te detecteren die eventueel onder hoge bewolking schuilgaat (gezien vanaf een satelliet).

Met de afloop van zonnecyclus 23 en het daarop volgende zeer langdurige zonneminimum (in aanloop naar cyclus 24) de afgelopen jaren is de hoeveelheid GCR weer toegenomen, zoals verwacht. De hoeveelheid lagere bewolking is echter niet toegenomen, maar zelfs verder afgenomen. En dat laatste is volstrekt tegenstrijdig aan de opvatting dat GCR een grote bijdrage zou moeten hebben op wolkenvorming.

conclusies
Heeft kosmische straling tot gevolg dat allerlei geladen deeltjes worden gevormd in de atmosfeer? Zonder meer.
Hebben die deeltjes invloed op wolkenvorming? Mogelijk, maar waarschijnlijk in slechts geringe mate.
Heeft kosmische straling invloed op het klimaat? Miniem, zeker als je het vergelijkt met de invloed van de toegenomen hoeveelheid broeikasgassen.
Is verder onderzoek naar kosmische straling dan interessant? Wel degelijk. Wat betreft wolkenvorming zijn er nog altijd veel onduidelijkheden. Ook voor de ruimtevaart is het erg relevant, omdat de hoeveelheid straling buiten de directe omgeving van onze planeet veel hoger is en voor mensen gevaarlijk kan zijn.