Onweersbuien zullen deze eeuw heviger worden in de tropen en subtropen als gevolg van klimaatverandering, volgens nieuw onderzoek.

Onweersbuien behoren tot de meest spectaculaire fenomenen van de natuur, het produceren van bliksem, zware neerslag, en soms ontzagwekkende wolkenformaties. Maar ze hebben ook een reeks belangrijke effecten op mensen en ecosystemen.

Bijvoorbeeld, bliksem veroorzaakt door onweersbuien is een belangrijke oorzaak van bosbranden wereldwijd, terwijl de hagelstorm die Sydney in april 1999 trof, de duurste natuurramp in Australië ooit blijft.

Gezien de schade veroorzaakt door onweersbuien in Australië en de rest van de wereld, het is belangrijk om te vragen of ze in frequentie en intensiteit zullen toenemen naarmate de planeet opwarmt.

Onze belangrijkste instrumenten voor het beantwoorden van dergelijke vragen zijn mondiale klimaatmodellen - wiskundige beschrijvingen van het aardsysteem die proberen de belangrijke fysieke processen die het klimaat beheersen te verklaren. Maar wereldwijde klimaatmodellen zijn niet fijn genoeg om individuele onweersbuien te simuleren, die meestal maar een paar kilometer breed zijn.

Maar de modellen kunnen ons vertellen over de ingrediënten die de kracht van onweersbuien vergroten of verkleinen.

Een storm aan het brouwen

Onweersbuien vertegenwoordigen de dramatische afgifte van energie die is opgeslagen in de atmosfeer. Een maat voor deze opgeslagen energie wordt "convectieve beschikbare potentiële energie" genoemd. of KAAP. Hoe hoger de KAAP, hoe meer energie er beschikbaar is om opwaartse stromingen in wolken aan te drijven. Snelle opwaartse luchtstromen verplaatsen ijsdeeltjes in de kou, bovenste regionen van een onweersbui snel op en neer door de storm. Dit helpt om negatief en positief geladen deeltjes in de wolk te scheiden en leidt uiteindelijk tot blikseminslagen.

Om onweersbuien te creëren die schadelijke wind of hagel veroorzaken, vaak zware onweersbuien genoemd, een tweede factor is ook vereist. Dit wordt "verticale windschering" genoemd, en het is een maat voor de veranderingen in windsnelheid en -richting terwijl je door de atmosfeer stijgt. Verticale windschering helpt bij het organiseren van onweersbuien zodat hun opwaartse stroming en neerwaartse stroming fysiek van elkaar worden gescheiden. Dit voorkomt dat de downdraft de energiebron van de onweersbui afsnijdt, waardoor de storm langer aanhoudt.

Door het effect van klimaatverandering op deze milieu-eigenschappen te schatten, we kunnen de waarschijnlijke effecten van klimaatverandering op zware onweersbuien inschatten.

Stormachtige voorspelling

Mijn onderzoek, uitgevoerd met Amerikaanse collega's en vandaag gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences, doet precies dat. We onderzochten veranderingen in de energie die beschikbaar is voor onweersbuien in de tropen en subtropen in 12 wereldwijde klimaatmodellen onder een "business as usual" -scenario voor de uitstoot van broeikasgassen.

Bij elk model dagen met hoge CAPE-waarden kwamen vaker voor, en CAPE-waarden stegen als reactie op de opwarming van de aarde. Dit was het geval voor bijna elk gebied van de tropen en subtropen.

Deze simulaties voorspellen dat deze eeuw een duidelijke toename zal brengen in de frequentie van omstandigheden die hevige onweersbuien bevorderen, tenzij de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk kan worden verminderd.

Eerdere studies hebben vergelijkbare voorspellingen gedaan voor zware onweersbuien in het oosten van Australië en de Verenigde Staten. Maar de onze is de eerste die de tropen en subtropen als geheel bestudeert, een regio die wordt gekenmerkt door enkele van de krachtigste onweersbuien op aarde.

Wat drijft de verhoogde energie?

Verschillende klimaatmodellen, gebouwd door verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld, ze zijn het er allemaal over eens dat de opwarming van de aarde de beschikbare energie voor onweersbuien zal vergroten - een voorspelling die wordt onderstreept door ons nieuwe onderzoek. Maar we moeten begrijpen waarom dit gebeurt, om er zeker van te zijn dat het effect reëel is en niet het product van foutieve modelaannames.

Mijn collega's en ik hebben eerder voorgesteld dat in de tropen hoge CAPE-niveaus kunnen ontstaan ​​als gevolg van de turbulente vermenging die optreedt wanneer wolken lucht uit hun omgeving aanzuigen. Deze vermenging voorkomt dat de atmosfeer de beschikbare energie te snel verdrijft. In plaats daarvan, de energie bouwt zich langer op en komt vrij bij minder frequente maar intensere stormen.

Naarmate het klimaat warmer wordt, de hoeveelheid waterdamp die nodig is voor de vorming van wolken neemt toe. Dit is het resultaat van een bekende thermodynamische relatie, de Clausius-Clapeyron-relatie. In een warmer klimaat betekent dit dat het verschil in luchtvochtigheid tussen de wolken en hun omgeving groter wordt. Als resultaat, het mengmechanisme wordt efficiënter in het opbouwen van de beschikbare energie. Dit, we maken ruzie, verklaart de toename van CAPE die in onze modelsimulaties wordt gezien.

In onze nieuwe studie we hebben dit idee getest in een wereldwijd klimaatmodel door de sterkte van de vermenging tussen wolken en hun omgeving kunstmatig te vergroten. Zoals verwacht, deze verandering zorgde voor een grote toename van de energie die beschikbaar is voor onweersbuien in ons model.

Een andere voorspelling van onze hypothese is dat dagen met zowel hoge CAPE-waarden als zware neerslag zich meestal voordoen wanneer de atmosfeer het minst vochtig is in de middelste niveaus (op een hoogte van enkele kilometers). Met behulp van echte gegevens van weerballonnen, we hebben bevestigd dat dit het geval is in de tropen en subtropen.

Wat dit betekent voor toekomstige onweersbuien

De modellen voorspellen dat de beschikbare energie voor onweersbuien zal toenemen naarmate de aarde opwarmt. Maar hoeveel heviger worden stormen daardoor eigenlijk?

Het antwoord op die vraag is momenteel onzeker, en het beantwoorden is de volgende klus voor mij, en andere onderzoekers over de hele wereld.

Maar het is duidelijk dat door onze voortdurende uitstoot van broeikasgassen, we verhogen de beschikbare brandstof voor de sterkste onweersbuien. Hoeveel sterker onze toekomstige onweersbuien uiteindelijk zullen worden, valt nog te bezien.