Komt er meer extreme neerslag in Nederland als de oceaan opwarmt door klimaatverandering?

Waterkringloop

Als de oceaan opwarmt door klimaatverandering, dan warmt ook de lucht erboven op, en verdampt er meer water. Warm water verdampt immers sneller dan koud water. Wereldwijd en gemiddeld over een paar weken moeten verdamping en neerslag in evenwicht zijn. Er kan niet meer neerslag vallen dan er water verdampt, en al het verdampte water moet weer als neerslag terugvallen op de aarde. Meer verdamping leidt dus tot meer neerslag, de waterkringloop (hydrologische cyclus) versnelt.

Meer neerslag betekent nog niet dat de neerslag heviger wordt. Het zou ook gewoon vaker kunnen regenen. Dat de neerslag ook intenser wordt (een grotere hoeveelheid in dezelfde tijd) komt omdat warmere lucht meer waterdamp kan bevatten. Als het dan regent, kan er meer water tegelijk naar beneden komen. Dat zal niet bij elke bui het geval zijn, maar gemiddeld verwachten we dat de buien heviger worden.

Vochtgehalte van atmosfeer

Lucht bestaat uit een mengsel van gassen, voornamelijk zuurstof en stikstof. Die vormen samen ongeveer 99% van de atmosfeer. Bij de resterende 1% zit ook waterdamp. Er kan echter niet onbegrensd veel waterdamp in de lucht zitten. De grens noemen we de verzadigingsdampdruk of de verzadigingsvochtigheid. Ligt het waterdampgehalte boven deze grens, dan gaat het vocht condenseren. De watermoleculen klonteren samen en vormen druppels. Als deze druppels groot genoeg zijn, vallen ze naar beneden. Het regent.

De verzadigingsdampdruk is sterk afhankelijk van de temperatuur (Figuur 1). Hoe warmer de lucht, hoe meer waterdamp er in kan zitten (gekleurde streepjeslijnen). De toename bedraagt ongeveer 7% per graad opwarming. Dit noemen we vaak de Clausius-Clapeyron relatie [1].

Neerslag (regen) ontstaat als de lucht afkoelt en (een deel van) de waterdamp condenseert. De afkoeling wordt meestal veroorzaakt doordat warme lucht van de grond opstijgt en daarbij afkoelt. Want, hoe hoger je komt in de atmosfeer, hoe kouder het wordt. Omdat een warmere atmosfeer meer waterdamp kan bevatten, kan er bij condensatie ook meer vloeibaar water ontstaan (de twee paar blauwe en groene pijlen in Figuur 1). De neerslag word intensiever. Er komt meer water in dezelfde tijd naar beneden dan uit een koudere atmosfeer.

Figuur 1. Verzadigingsdampdruk (links) en bijbehorende absolute vochtigheid (rechts) als functie van de temperatuur. De absolute vochtigheid geeft aan hoeveel gram waterdamp in een kilogram lucht zit. De dampdruk is de druk die door de waterdamp veroorzaakt wordt. De gekleurde streepjeslijnen laten zien hoeveel waterdamp er maximaal in een kilogram lucht kan zitten bij 10, 25, en 35 graden Celsius. Als de dampdruk/de absolute vochtigheid door afkoeling boven de zwarte lijn in het rode gebied uitkomt (de twee blauwe pijlen), raakt de lucht verzadigd en een deel van de damp condenseert (= vormt druppels) tot de zwarte lijn weer bereikt wordt (groene pijlen). Beide blauwe pijlen geven een afkoeling van 15 graden aan (van 35 naar 20 graden, en van 20 naar 5 graden). Voor het vochtgehalte (blauwe punten) gaan we uit van 80% van de verzadigingsdampdruk. Dat is een typische waarde voor Nederland. Duidelijk is dat in het eerste geval veel meer waterdruppels ontstaan dan in het tweede (15,5 g/kg tegenover 6,5 g/kg). In het eerste geval kan dus veel meer regen vallen dan in het tweede.

Extreme neerslag

Dus als het regent, regent het gemiddeld heviger, en op grond van de Clausius-Clapeyron relatie verwachten we een toename van 7% voor elke graad die het warmer wordt. Waarnemingen bevestigen deze verwachting, behalve bij zeer extreme neerslag. Die neemt twee keer sneller toe dan de 7% uit de Clausius-Clapeyron relatie [2; sec. 5.4.2].

Extreme neerslag ontstaat in de zomer als hete lucht vanaf de grond zeer snel naar grote hoogtes op kan stijgen (convectie; zie Figuur 2). Uiteraard treedt dan condensatie op, en het regent. Het gebied met opstijgende lucht, het convectiegebied, is maar enkele kilometers groot. De hoeveelheid regen wordt dan niet alleen bepaald door de hoeveelheid waterdamp in een kubieke meter lucht. Belangrijk is vooral hoe veel kubieke meters lucht beschikbaar zijn om in het convectiegebied op te kunnen stijgen. Dat wederom wordt bepaald door de snelheid waarmee lucht uit de omgeving het convectiegebied in gezogen wordt.

Als de waterdamp in de opstijgende lucht condenseert, komt warmte vrij. Dit is evenveel warmte als nodig was om het water te laten verdampen. De opstijgende lucht warmt op en kan nog verder stijgen. Als de atmosfeer warmer is en dus meer waterdamp bevat, komt meer warmte vrij. De lucht warmt meer op en stijgt sneller. Er wordt meer lucht vanaf de grond het convectiegebied in gezogen. Meer waterdamp kan condenseren, en de intensiteit van de neerslag neemt extra toe.

Als het regent, regent het meer, maar of het regent?

Dus in een warmere wereld valt meer regen, en als het regent, is de regen heviger. Dat is het over de hele wereld gemiddelde plaatje, maar lokaal (in Nederland) kan het best anders zijn. Er zijn meer dingen die bepalen of het regent dan alleen de hoeveelheid waterdamp in de lucht. Met name het ontstaan van hevige buien is heel erg afhankelijk van de plaatselijke omstandigheden, zoals de snelheid waarmee de temperatuur afneemt met de hoogte, of de vochtigheid van de bodem. Het KNMI komt in zijn KNMI’23 klimaatscenario’s [2-4] tot de volgende conclusies

• de winters worden hoe dan ook natter
• de zomers worden droger
• er komen minder zomerse buien maar de buien die er komen, worden heviger, en dat geldt in bijzondere mate voor de meest extreme buien

Voor de fijnproever:

In de tekst hierboven staan uitdrukkingen als ‘de lucht kan maximaal zoveel waterdamp bevatten’. Nauw bekeken is dat onjuist. De lucht heeft hier niets mee te maken. De verzadigingsdampdruk is puur een eigenschap van water. Ook al zet je een schaal met water in een vacuüm, er kan alleen water verdampen totdat de verzadigingsdampdruk (de zwarte lijn in Figuur 1) bereikt is. Het is alleen zo dat ‘de lucht bevat waterdamp’ makkelijker voor te stellen is dan ‘de waterdamp heeft een druk van’.

De in Figuur 1 weergegeven relatie wordt meestal de Clausius-Clapeyron relatie genoemd. Dat is maar half waar. De Clausius-Clapeyron relatie [1] is algemener en beschrijft het verband tussen verzadigde dampdruk, temperatuur en verdampingswarmte bij het verdampen van een willekeurige vloeistof. Toegepast op water en de atmosfeer levert dit de relatie op van Figuur 1.