Heb je ooit een donker T-shirt gedragen op een zonnige dag en voelde je de stof warm in de zonnestralen? De meesten van ons weten dat donkere kleuren zonlicht absorberen en lichte kleuren het weerkaatsen, maar wist je dat dit niet op dezelfde manier werkt in de niet-zichtbare golflengten van de zon?

De zon is de krachtbron van de aarde, en het straalt energie uit als zichtbaar zonlicht, ultraviolette straling (kortere golflengten), en nabij-infraroodstraling, die we voelen als warmte (langere golflengten). Zichtbaar licht weerkaatst op lichtgekleurde oppervlakken zoals sneeuw en ijs, terwijl donkere oppervlakken zoals bossen of oceanen het absorberen. Deze reflectie, albedo genoemd, is een belangrijke manier waarop de aarde haar temperatuur regelt - als de aarde meer energie absorbeert dan het reflecteert, het wordt warmer, en als het meer weerkaatst dan het absorbeert, het wordt koeler.

Het beeld wordt ingewikkelder wanneer wetenschappers de andere golflengten in de mix brengen. In het nabij-infrarode deel van het spectrum, oppervlakken zoals ijs en sneeuw reflecteren niet, in feite ze absorberen bijna-infrarood licht op vrijwel dezelfde manier als een donker T-shirt zichtbaar licht absorbeert.

"Mensen denken dat sneeuw reflecterend is. Het is zo glanzend, " zei Gavin Schmidt, directeur van NASA's Goddard Institute for Space Studies in New York City en waarnemend NASA senior klimaatadviseur. "Maar het blijkt in het nabij-infrarode deel van het spectrum, het is bijna zwart."

Duidelijk, voor klimaatwetenschappers om het hele beeld te krijgen van hoe zonne-energie het aardesysteem binnenkomt en verlaat, ze moeten naast zichtbaar licht ook andere golflengten bevatten.

Dat is waar NASA's Total and Spectral Solar Irradiance Sensor (TSIS-1) van pas komt. Vanaf het uitkijkpunt aan boord van het internationale ruimtestation, TSIS-1 meet niet alleen de totale zonnestraling (energie) die de atmosfeer van de aarde bereikt, maar ook hoeveel energie er bij elke golflengte binnenkomt. Deze meting wordt spectrale zonnestraling genoemd, of SSI. TSIS-1's Spectral Irradiance Monitor (SIM) instrument, ontwikkeld door de University of Colorado Boulder's Laboratory for Atmospheric and Space Physics, meet SSI met een nauwkeurigheid beter dan 0,2%, of binnen 99,8% van de werkelijke SSI-waarden.

"Met TSIS-1, we hebben meer vertrouwen in de metingen van zichtbaar en nabij-infrarood licht, " zei Dr. Xianglei Huang, professor in de afdeling Climate and Space Sciences and Engineering aan de Universiteit van Michigan. "Hoe je de hoeveelheid energie op elke golflengte verdeelt, heeft gevolgen voor het gemiddelde klimaat."

Huang en zijn collega's aan de Universiteit van Michigan, NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en University of Colorado Boulder hebben onlangs voor het eerst TSIS-1 SSI-gegevens in een wereldwijd klimaatmodel gebruikt. "Verschillende studies gebruikten verschillende SSI-inputs om de gevoeligheid van klimaatmodellen in het verleden te analyseren." Echter, deze studie was de eerste die onderzocht hoe de nieuwe gegevens de gemodelleerde reflectie en absorptie van zonne-energie aan de polen van de aarde veranderden, zei Dong Wu, projectwetenschapper voor TSIS-1 bij Goddard.

Ze ontdekten dat toen ze de nieuwe gegevens gebruikten, het model toonde statistisch significante verschillen in hoeveel energie ijs en water geabsorbeerd en gereflecteerd, vergeleken met het gebruik van oudere zonnegegevens. Het team runde het model, het Community Earth System Model genoemd, of CESM2, tweemaal:eenmaal met nieuwe TSIS-1-gegevens gemiddeld over een periode van 18 maanden, en een keer met een oudere, gereconstrueerd gemiddelde op basis van gegevens van NASA's ontmantelde Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE).

Het team ontdekte dat de TSIS-1-gegevens meer energie bevatten in de golflengten van zichtbaar licht en minder in de nabij-infrarode golflengten in vergelijking met de oudere SORCE-reconstructie. Deze verschillen betekenden dat zee-ijs minder absorbeerde en meer energie weerkaatste in de TSIS-1-run, dus polaire temperaturen waren tussen 0,5 en 1,3 graden Fahrenheit koeler, en de hoeveelheid zee-ijsbedekking in de zomer was ongeveer 2,5% groter.

"We wilden weten hoe de nieuwe waarnemingen zich verhouden tot de waarnemingen die in eerdere modelstudies werden gebruikt, en hoe dat onze kijk op het klimaat beïnvloedt, " zei hoofdauteur Dr. Xianwen Jing, die dit onderzoek uitvoerde als postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Climate and Space Sciences and Engineering van de University of Michigan. "Als er meer energie is in de zichtbare band en minder in de nabij-infraroodband, dat heeft invloed op de hoeveelheid energie die door het oppervlak wordt geabsorbeerd. Dit kan invloed hebben op hoe het zee-ijs groeit of krimpt en hoe koud het is op hoge breedtegraden."

Dit vertelt ons dat naast het monitoren van de totale zonnestraling, Huang zei, we moeten ook de spectra in de gaten houden. Hoewel nauwkeurigere SSI-informatie het grote beeld van klimaatverandering niet zal veranderen, het kan modelbouwers helpen beter te simuleren hoe energie op verschillende golflengten klimaatprocessen zoals ijsgedrag en atmosferische chemie beïnvloedt.

Ook al ziet het poolklimaat er met de nieuwe gegevens anders uit, er zijn nog meer stappen te nemen voordat wetenschappers het kunnen gebruiken om toekomstige klimaatverandering te voorspellen, waarschuwden de auteurs. De volgende stappen van het team zijn onder meer onderzoeken hoe TSIS-gegevens het model op lagere breedtegraden beïnvloeden, evenals voortdurende observaties in de toekomst om te zien hoe SSI varieert gedurende de zonnecyclus.

Door meer te leren over hoe zonne-energie interageert met het aardoppervlak en de systemen - op alle golflengten - zullen wetenschappers meer en betere informatie krijgen om het huidige en toekomstige klimaat te modelleren. Met de hulp van TSIS-1 en zijn opvolger TSIS-2, die in 2023 aan boord van zijn eigen ruimtevaartuig zal lanceren, NASA werpt een licht op de energiebalans van de aarde en hoe deze verandert.