Is Nederland een hitte-eiland?

Kan het zijn dat de aarde opwarmt als gevolg van de warmte die vrijkomt bij het gebruik van machines, motoren en andere apparaten? Toen ik in 2006 begon te lezen over de klimaatverandering, was dit een van de eerste vragen die in mij opkwam. De vraag leek mij, vermoedelijk omdat ik hem zelf had bedacht, opeens spoedeisend. Voordat ik mij in het klimaatprobleem verder wilde verdiepen, moest er eerst een antwoord komen op deze vraag.

Elk apparaat dat energie gebruikt, of dit nu een auto, een kachel, een computer of een zonnecel is, zet 'hoogwaardige' energie om in warmte. Neem een auto. De energie in de brandstof is chemisch opgeslagen en komt vrij na verbranding met zuurstof. De druk in de cilinders zorgt voor bewegingsenergie die wordt overgebracht naar het vliegwiel waarmee de auto wordt aangedreven. De luchtstroom die daarna tegen de voorkant van de auto op snelheid botst, neemt de bewegingsenergie over. Uiteindelijk zal de beweging van de luchtmoleculen als ze versneld tegen elkaar botsen steeds chaotischer verlopen. Het resultaat van alle processen in de keten van energieomzetting en bewegende delen, is dat alles is opgewarmd door wrijving: de cilinders, de motor, de uitlaatgassen, de assen, de remschijven, de banden, de weg en de lucht. Het verwarmen van een auto is nooit een probleem. Er is warmte genoeg! Restwarmte is het onherroepelijk eindproduct van alle energieprocesessen. En omdat energie niet verloren gaat (maar slechts van vorm verandert), moet de hoeveelheid antropogene restwarmte in de wereld net zo groot zijn als de mondiale energieproductie (afhankelijk van het rendement zal de consumptie lager liggen, bijvoorbeeld 33% van de productie). Wat betekent restwarmte voor het klimaat op aarde? Er wordt wereldwijd veel fossiele brandstof verstookt. Daarnaast zijn er ook andere energiebronnen als kernenergie. De restwarmte van deze krachtbronnen zou niet vrijkomen als we de grondstoffen niet zouden opbranden. Uranium, gas, olie en kolen zouden onder de grond blijven rusten. Hoe groot is nu de totale antropogene restwarmte in vergelijking met het antropogene broeikaseffect?

IJverig begon ik het antwoord op mijn vraag uit te rekenen. Rekenen deed ik eigenlijk nooit meer en mijn som werd al gauw erg ingewikkeld. Op een gegeven moment had ik geen enkel vertrouwen meer in het resultaat, hoewel ik er achteraf niet eens ver naast zat. Ik liet het probleem rusten. Maar enkele maanden later las ik toevallig een wetenschapscolumn van Karel Knip NRC 19 sep 1998:

Hoeveel wordt de aarde warmer doordat bij verbranding van kolenoliegas niet alleen CO2 maar ook hitte vrijkomt? Dat valt af te leiden uit het IPCC-gegeven dat in deze jaren jaarlijks door verbranding van fossiele brandstof ongeveer 5,5 gigaton koolstof als CO2 de lucht in gaat. Gaan we er gemakshalve van uit dat in de brandstoffen de aardolie domineert (aardolie staat qua CO2-vorming tussen steenkool en aardgas) dan mag worden aangenomen dat tegenover elke ton koolstof een hoeveelheid vrijgemaakte hitte staat ter grootte van 51,5 gigajoule. Jaarlijks leveren kolen, olie en gas samen dus zo'n 280 x 10 joules, een getal dat betekenis krijgt zodra men de jaren herleidt tot seconden en de hitteproductie, net als bij de stralingsforcering, relateert aan het aardoppervlak. Dan blijkt dat tegenwoordig gemiddeld per seconde en per vierkante meter 0,02 joule aan fossiele hitte vrijkomt. Ofwel, omdat een joule per seconde hetzelfde is als een watt, 0,02 W/m .^*

Daar was het antwoord op mijn vraag. Een elegante som. Ik controleerde alle individuele stappen:

Het broeikaseffect is maar liefst 114 keer sterker dan de restwarmte. Je kunt hieruit concluderen dat de restwarmte bij de opwarming van de aarde geen rol van betekenis speelt. Je kunt ook zeggen dat het antropogene broeikaseffect klaarblijkelijk zeer krachtig is.

Het resultaat ging echter in tegen mijn gevoel. Was het restwarmte-effect echt zo onbeduidend? Karel Knip had zijn column geschreven naar aanleiding van een ingezonden brief. De schrijver van deze brief, een zekere K.K. te A., had, net als ik, waarschijnlijk een ander resultaat verwacht. "Het zal niet voor 't eerst zijn als het meest voor de hand liggende mechanisme over het hoofd wordt gezien", stelde hij. K. liet weten dat hij op een stedelijk warmte-eiland woonde en ik denk dat K. dit vermeldde omdat hij vermoedde dat er in zo'n omgeving toch iets van een restwarmte-effect te merken moet zijn. "Vroeger fietste ik wel eens door de mist, maar dat is al jaren niet meer voorgekomen." Je zou bijna gaan denken dat K.K. te A. dezelfde persoon is als Karel Knip zelf. De initialen zijn identiek. Het zou mij niet verbazen als Karel Knip toevallig ook in A. blijkt te wonen.

Om te beginnen kunnen we de uitkomst van de som iets naar boven bijstellen. De totale energieprodutie in 2005 bedroeg 483 exajoules (483 × 10¹⁸). Dit bedrag gedeeld door het aardoppervlakte (51.006.5600 km²) en door het aantal seconden in een jaar (31.560.000) levert een stralingsforcering op van 0,030 W/m² (0,028 W/m² volgens Flanner 2009), toch alweer bijna 2% van het broeikaseffect (nu gesteld op 1,6 W/m²). Er zit dus wel wat speling in de berekening. Maar de restwarmte blijft een klein percentage van het antropogene broeikaseffect.

Zojuist, na het lezen van een nieuw KNMI-rapport, schoot mij iets te binnen. Het is reeds lang bekend dat hitte-eilanden een eigen, lokaal klimaat hebben dat behoorlijk afwijkt van de omgeving. De temperatuurverschillen met de niet-stedelijke of niet-industriële omgeving kunnen behoorlijk oplopen, tot wel 10 °C of meer. Dat is 14 keer de globale opwarming in de 20e eeuw. Maar dan, zo redeneerde ik, moet dit gegeven toch zeker gevolgen hebben voor ons land? De bevolkingsdichtheid ligt hoog. Hele stukken van Nederland zijn volgebouwd, en we hebben een hoge industriële dichtheid. Overal liggen er snelwegen, bedrijfsterreinen, havens, vliegvelden, kassen, kantoren, bouwputten enzovoort. Denk aan het Westland, de havens in de Rijnmond, de drukke scheepvaart op de waterwegen, de vliegtuigen en landingsbanen op Schiphol en andere luchthavens, het drukke verkeer in en om de grote steden. In huizen en gebouwen wordt voortdurend energie gebruikt, en 's winters wordt er flink gestookt. Ons energiegebruik per vierkante kilometer moet zeer hoog liggen ten opzichte van het globaal gemiddelde. Knip had in zijn som hiermee geen rekening gehouden. Hij had het globale effect van de antropogene broeikas voor het gemak vergeleken met het globale effect van de restwarmte. Maar daarmee had hij de vraag van K. maar half beantwoord. K. wilde immers ook iets weten over de extra warmte als gevolg van het specifieke hitte-eiland waarop hij woonde en de gevolgen voor de directe omgeving.

Nu is het broeikaseffect een globaal verschijnsel. De locatie waar de fossiele brandstoffen worden verbrand doet er voor de broeikaswerking nauwelijks toe. De broeikas is als een atmosferische deken die 'ergens' hoog in de lucht de aarde min of meer gelijkmatig bedekt. Ten opzichte van de reeds in de atmosfeer verzamelde CO2, speelt het relatief kleine beetje CO2 dat wij in Nederland dagelijks meer toevoegen dan dunbevolkte landen of streken, geen beduidende rol - wat in het geheel niet wil zeggen dat de landen die meer broeikasgassen uitstoten niet noemenswaard meer bijdragen aan het broeikaseffect dan andere landen. De CO2-uitstoot vervliegt en verspreidt zich over de atmosfeer. De broeikasdeken is dus ongeveer overal even dik, het scheelt slechts enkele procenten^2,3,4. Goed, de opwarming als gevolg van de deken verschilt per breedtegraad en per seizoen. En het land warmt bijvoorbeeld sneller op dan zeewater. Maar deze supraregionale verschillen kunnen we best even buiten beschouwing laten. We willen namelijk een vergelijking maken met de veel grotere restwarmteverschillen tussen locaties op kleine afstand. En we hebben het dan niet over procenten of tientallen procenten, maar tenminste over een factor 10 of nog veel meer.

Want in tegenstelling tot het broeikaseffect is restwarmte een lokaal verschijnsel. De verschillen per locatie kunnen bijzonder groot zijn. Restwarmte is concreet. Denk aan de warmte van een gloeilamp. Of denk aan de warmte achter de uitlaat van een autobus. Een fietser kan de lauwe walm tot op tientallen meters duidelijk voelen. Maar op grotere afstand neemt het effect snel af. Als je nu de restwarmte in Nederland wilt bepalen, dan mag je niet uitgaan van de mondiaal gemiddelde restwarmte, alsof de restwarmte gelijkmatig verdeeld is over het aardoppervlak. De ene warmtebron is de andere niet. De energieconsumptie en de restwarmteproductie van het ene land zijn ook die van het andere land niet. Een globale benadering is voor het broeikaseffect wél geldig, maar restwarmte is lokaal.

De hoeveelheid verstookte fossiele brandstoffen in een bepaald gebied is ondertussen wel een aardige (hoewel geen zuivere) maat voor de hoeveelheid restwarmte in dat gebied:

Restwarmte = c × CO2-uitstoot.

Hier is c een constante die er in het vervolg niet toe doet omdat hij wordt weggedeeld in de nu volgende som. Voor het uitschrijven zullen we c maar meteen weglaten:

De restwarmtedichtheid in Nederland ligt maar liefst 64 keer hoger dan de wereldgemiddelde waarde! Met dit resultaat kunnen we de som van Karel Knip aanpassen voor ons land. De restwarmte in Nederland bedraagt niet 1/114-e deel van het versterkte broeikaseffect, zoals door Knip berekend, maar 64/114-e deel, ofwel 56% van het mondiale broeikaseffect. (We hebben voor de oppervlakte van Nederland het binnenwater meegenomen.) Zouden we kijken naar nog kleinere gebieden met een nog hoger energiegebruik per vierkante kilometer, bijvoorbeeld de Randstad, het Westland of de Europoort, dan komt de restwarmtedichtheid hoger uit, hoger zelfs dan het antropogene broeikaseffect. Hier volgen enkele voorbeelden. De uit de losse pols gekozen of geschatte waarden zijn misschien enigszins overdreven, maar ze zijn slechts bedoeld om een beeld te krijgen van de verhouding tussen lokale restwarmte en broeikaseffect. Voor de stad Amsterdam (1.000.000 inwoners, oppervlakte 100 km²) kun je uitrekenen hoeveel restwarmte er vrijkomt als elke bewoner dagelijks een douche neemt: 50 liter × 4190 joule per liter per °C × 30 °C opgewarmd water × 1.000.000 personen, gedeeld door 100 km² stadsoppervlakte en gedeeld door 86400 seconden per dag = 0,73 W/m². Dit is een toevoeging van alweer 45% bovenop de wereldgemiddelde antropogene klimaatforcering van 1,6 W/m². Zou iedere Amsterdammer 6 uur per dag een computer (200 Watt) aan hebben staan (op werk of thuis), en drie uur per dag de televisie (200 Watt), dan levert dat een restwarmteforcering op van 0,75 W/m². Daar komt al het overige energiegebruik bij. Voor steden geldt een warmteproductie van 15-50 W/m². Voor het centrum van een zeer grote stad als Tokio ligt die waarde alweer op 400 W/m², met 's winters pieken op 1590 W/m² "The hot water supply in offices and hotels contributed 51% of this." Extreem! Grappige bijkomstigheid, ook menselijke lichamen geven warmte af aan de omgeving, met kleren aan zo'n 100 Watt per persoon, ofwel 1 W/m² verspreid over de hele stad Amsterdam, toeristen, hooligans en handelsreizigers niet meegerekend. Maar deze warmteafgifte van het metabolisme is geen restwarmte in eigenlijke zin. Het autoverkeer in heel Nederland is goed voor zo'n 0,33 W/m² (bij 9500 km per persoon per jaar, 32 MJ/liter brandstof en een gebruik van 1:12), voor de Randstad naar schatting al gauw zo'n 1 W/m² en voor de grote steden ligt die waarde hoger, hetgeen in de buurt komt van een restwarmteforcering zo groot als het antropogene broeikasgaseffect van 1,6 W/m² of meer. Als we voor de hele groep 'verkeer en vervoer' in Nederland uitgaan van 0,5 W/m², wetende dat deze groep goed is voor 21% van de totale CO2-uitstoot (en restwarmteproductie), dan komt de totale Nederlandse restwarmte uit op 0,5/21% = 2,4 W/m². Ter vergelijking, de totale restwarmtedichtheid van de Amerikanen, de grootste energiegebruikers ter wereld (afgezien van een aantal kleinere landen), bedraagt 'slechts' 0,4 W/m² (oppervlakte US minuss Alaska = 8108775 km²; jaarlijkse energieconsumptie = 1,05 × 10²⁰ Joule). (Toegevoegd: vergelijk de 0,39 W/m² voor de VS, en 0,68 W/m² voor Europa volgens Flanner 2009, met als conclusie: "significant increases in annual-mean temperature (...) occur (...) where present-day AHF [anthropogenic heat flux] exceeds 3.0 W/m². AHF may influence regional climate projections." Bepaalde delen van Nederland zouden weleens in de buurt van die waarde kunnen zitten.)

Je kunt spelen met de uitkomsten. De factor 64, zoals hierboven berekend, kan op allerlei manieren worden bijgesteld. We hebben de restwarmte van Nederland bepaald aan de hand van een evenredig verband tussen CO2-uitstoot en energieconsumptie. Beter is het al om de energieconsumptie per km² te nemen. Voor Nederland komen we dan uit op een nog hogere restwarmtedichtheid met gegevens uit 2005.

De restwarmte in Nederland is nu even groot als het broeikaseffect (113/114 e deel). Ook hierbij zijn weer aantekeningen te maken. Welke waarden neem je? Als je voor de antropogene stralingsforcering niet 2 W/m² neemt zoals in de som van Knip, maar 1,6 W/m², dan komt de restwarmte alweer uit op 125% van het antropogene broeikaseffect. Als je de gegevens van het IAEA met elkaar vergelijkt, vind je flinke verschillen in de door bekende instanties gehanteerde waarden voor energieproductie en -consumptie, zowel per land als globaal. Er is een woud aan gegevens. We zullen maar niet streven naar een nog grotere precisie. In alle gevallen blijft de uitkomst van onze som van dezelfde orde van grootte en zeker zo groot als het antropogene broeikasgaseffect. De restwarmte in Nederland ligt zeer veel hoger dan de wereldgemiddelde restwarmtedichtheid. En dit mag ook geen verrassing zijn voor een dichtbevolkt land met een hoge economische dichtheid.

Met een 113 keer sterkere restwarmtedichtheid dan gemiddeld, kun je je moeilijk voorstellen dat restwarmte geen enkele invloed zou hebben op het klimaat van ons land. Sterker, het feit dat wij een zeeklimaat hebben en het feit dat zeewater minder snel opwarmt dan het land, zou er eerder op wijzen dat Nederland minder snel moet opwarmen dan het wereldgemiddelde. Dit geldt des te meer voor de aan zee gelegen Randstad. Daar staat tegenover dat we de afgelopen jaren vaker zuidwestenwind hadden, dus meer aanvoer van zachte lucht. Dat is een enorme factor. Maar dit verklaart niet waarom de dagmaximumtemperaturen van Rotterdam en Schiphol sinds de jaren vijftig sterker zijn gestegen dan die van de overige stations in Nederland, met resp. 0,37 en 0,42 °C per decennium. Opvallend is dat van de tien hoofdstations van het KNMI, waarvan deze gegevens zijn afgeleid, er acht op vliegvelden liggen, en een negende station, Vlissingen, staat op een havenpier aan de Westerschelde, een van de drukste waterwegen ter wereld met een explosieve groei van de scheepvaart sinds de jaren vijftig. Maar misschien dat de meeste restwarmte op dit meetpunt niet eens van de brede Westerschelde komt, maar direct uit de aanliggende haven en de overslagplaatsen in de buurt? Of speelt in Vlissingen toch de zuidwestenwind een bijzondere rol? Zulke vragen dringen zich op. De negen stations staan in ieder geval niet in een restwarmteneutrale omgeving. Je kunt je zelfs afvragen of zo'n omgeving nog wel bestaat in Nederland. Uit de temperatuurdata kunnen we het aandeel van de restwarmte niet afleiden. Alleen De Bilt, het tiende station, dat eveneens een forse stijging doormaakte (0,34 °C per decennium) lijkt een uitzondering te vormen, hoewel dit station toch ook weer gelegen is in de nabijheid van 'bouwland' en, bij westenwind, benedenwinds van de Randstad ligt.

We hebben ons op details toegespitst, in overeenstemming met het lokale karakter van restwarmte. Maar we mogen daarbij de grote lijnen niet uit het oog verzliezen. Als je naar de temperatuuranomalieën kijkt op deze wereldkaart, dan zie je dat Nederland 'gewoon' deel uitmaakt van een band met 1,0 - 1,5 °C temperatuurstijging. Deze band strekt zich in een zeer grote halve maansboog uit vanaf Noorwegen, Denemarken, Duitsland, delen van Frankrijk, Zwitserland, Oostenrijk, Italië, Griekenland, Roemenië, Oekraïne en vandaar ten noorden van de Zwarte Zee en de Kaspische Zee richting de Himalaya's en China en van daaruit langs de oostkust van Rusland omhoog naar Alaska. Alles ten zuiden van deze band, heeft een kleinere temperatuurstijging van 1 graad of minder (India valt op met een vrij kleine opwarming). Alles ten noorden van deze boog heeft 1,5 - 2,5 °C opwarming. De kaart laat mooi zien hoe grote delen van het continent, met name Rusland, aanzienlijk méér zijn opgewarmd dan de oceanen, en ook hoe richting de polen de opwarming van de aarde toeneemt met waarden tot 3,5 °C in het noorden van Rusland. Aan deze kaart is het restwarmte-effect van Nederland allang niet meer af te lezen. Misschien dat de band daardoor net iets breder is? Het zou interessant zijn als de resolutie op die kaart wat hoger was, bijvoorbeeld 0,1 graad Celsius. Wat was er dan te zien?

Terug naar de lokale warmte-effecten. De vraag of, waar, wanneer, hoe lang en hoe sterk restwarmte 'actief' blijft, is lastig. Als je kunt aantonen dat (een bepaald deel van) Nederland niet aantoonbaar warmer is dan de omgeving, dan zou dat erop wijzen dat restwarmte zich snel verspreidt, wat ook zou kunnen blijken uit gegevens uit het Ruhrgebied: "Results reveal a permanent warming due to anthropogenic heat emissions over affected areas ranging from 0.15 K over land area with an additional 2 W/m² anthropogenic heat flux up to 0.5 K over the Ruhrarea with additional 20 W/m² anthropogenic heat flux" (Block ea 2004). Slechts een halve graad bij 20 W/m². De warmte vervliegt dus? Ook deze conclusie over temperatuur aan de grond in Tokio wijst daarop: "The effects of reducing energy consumption, by 50% for hot water supply and 100% for space cooling, on near surface air temperature would be at most -0.5°C." Slechts een halve graad, terwijl er in Tokio enorm veel warmte de lucht in gaat, tussen 30 W/m² in de buitenwijken en 400 W/m² of meer in het centrum van de stad. Heeft Karel Knip gelijk en kun je de restwarmte vanwege de snelle verspreiding (over een groter gebied) bij nader inzien best als een globaal fenomeen beschouwen? En is dit bericht dan overdreven? "To combat the [heat] problem we often resort to switching on the air conditioning. This is not only energy intensive (and therefore has potential to raise carbon dioxide emissions that drive climate change) but works by cooling the inside of the building and expelling hot air outside, raising the overall air temperature in the city as well. This can amplify what is known as the urban heat island."

Ik heb nog weinig gegevens specifiek over de Nederlands situatie gevonden. Het restwarmte-effect is afhankelijk van de snelheid waarmee de warmte verwaait en opstijgt en zich verspreidt over een groter gebied, zowel verticaal als horizontaal (afhankelijk van reliëf en andere blokkades). Allerlei factoren spelen een rol, zoals de windsnelheid en -richting, de bewolking, de samenstelling van de lucht (luchtlagen), de temperatuur en omvang van de restwarmtebron, de hoogte en de dichtheid van gebouwen en overige blokkades, de ligging van een stad in een dal, vallei, heuvelrug of rivierbedding, enz. Ook de grootte van het restwarmtegebied doet er toe. Hoe kleiner het gebied, hoe lokaler en tijdelijker het restwarmte-effect zal zijn. Nederland grenst in het zuiden en het oosten aan de industriegebieden van Antwerpen en het Ruhrgebied. Wat kun je daar uit afleiden? Deze samenklontering heeft gevolgen voor de duur en verdeling van restwarmte. Het is net als met de werking van de zwaartekracht op aarde: hoe groter de bol waarop wij leven, hoe zwaarder wij wegen. Iets vergelijkbaars geldt voor de restwarmtebel waarin wij leven. Met Pasen heeft Nederland dikwijls last van de grote paasvuren van de Duitsers. Een brandlucht is dan te ruiken. Wat zegt zo'n gegeven over de verspreiding van restwarmte?

Steden creëren hun eigen warmteprobleem. In het centrum van een stad is het duidelijk warmer dan aan de rand. En loop je een park binnen, dan is de koelte meteen voelbaar op de huid. (Dit heeft ook met verdamping en luchtvochtigheid te maken.) Men heeft gevonden dat de vegetatie in landelijke gebieden tot op een afstand van zo'n 10 kilometer de invloed van een middelgrote stad ondervindt. Het benedenwinds effect van de warmte uit de stad kan zich uitstrekken tot 75 km (IPCC 2007). De oppervlakte van een vrij grote stad als Amsterdam (dus niet middelgroot), bedraagt ongeveer 10 x 10 = 100 km². Het gebied met urbane warmte is, als we naar twee kanten uitbreiden met 10 km, 9 keer zo groot: 30 km x 30 km = 900 km² (in cirkelvorm 707 km²). En als we de straal uitbreiden met 20 km, 25 keer zo groot: 50 km x 50 km = 2500 km² (cirkeloppervlak = 1963 km²). Tussen de rand van Amsterdam en de rand van Utrecht ligt net 20 km 'open' land. Daarmee overlapt de warmtecirkel van Amsterdam die van het warmte-eiland Utrecht. Maar er is tussenliggend ook nog wel wat restwarmteproductie, bijvoorbeeld van het Amsterdam-Rijnkanaal en de A2 met een restwarmte van zo'n 100 W/m² en de tussenliggende urbane gebieden als Diemen, Bijlmer, Weesp, Aboude, Breukelen. Hetzelfde geldt voor de warmtecirkels van de andere grote steden in de Randstad. De warmtecirkels overlappen elkaar en gaan misschien wel in elkaar op.

Bij de verspreiding van urbane warmte spelen de windrichting en de windsnelheid een belangrijke rol. Dit geldt des te meer voor de Randstad, die nu eens landwind, maar veel vaker zeewind ontvangt. In dat laatste geval krijgen wij de temperaturen van de Noordzee, terwijl de Duitsers onze warmte krijgen. Een preciese berekening van de restwarmte lijkt uitermate complex. Maar het lijkt niet erg waarschijnlijk dat de restwarmte snel vervliegt en helemaal verdwijnt in de ruimte: "De hitte die uit kolenoliegas vrijkomt levert nauwelijks stralingsbronnen op die kortgolvig infrarood uitzenden, het is allemaal warmte van een soort (infrarood - JV) die vreselijk onder de koolzuurdeken blijft hangen", merkt Karel Knip op.

Hans Erren ('klimaatscepticus') liet aan de hand van een satellietfoto zien hoe Nederland eruit ziet als er sneeuw valt. Interessant zijn de donkere, urbane plekken in het landschap. Op die plaatsen dooit de sneeuw. Het gevolg is dat het landschap donkerder is en dus meer zonne-energie absorbeert. Het effect kan enkele tientallen W/m² bedragen.

Urban Heat Island
Het is niet zo dat de steden alleen maar warmer zijn als gevolg van restwarmte. Stenen gebouwen en asfalt 'verwerken' de zonnestralen en zonnewarmte anders dan bijvoorbeeld vegetatie. Ook de lagere luchtvochtigheid en de geringe hoeveelheid verdamping in de steden spelen een belangrijke rol. Deze effecten in urbane gebieden staan los van de verhoogde energieconsumptie. Het warmtevasthoudend effect van de hitte-eilanden (UHI's is de technische term: Urban Heat Islands) lijkt meestal groter te zijn dan de restwarmte. Maar kun je de twee effecten afzonderlijk van elkaar meten of berekenen? Misschien moet je kijken naar de verschillen tussen de dag- en de nachttemperaturen (vergelijk bijvoorbeeld de verschillen tussen de maximumwaarden en minimumwaarden van Schiphol: resp. 0,42 en 0,19 °C opwarming per decennium). Het schijnt dat het UHI-effect 's nachts het grootst is, evenals trouwens het broeikasgaseffect (Trenberth, et al., 2007). Restwarmte lijkt vooral overdag het grootst, wanneer de meeste energie wordt gebruikt. Als dit ook opgaat voor het plaatsje Wenatchee, WA (westkust Verenigde Staten), dan zou dit grafiekje (in dit artikel op de blog van "Tamino") kunnen wijzen op een sterk groeiend UHI-effect en niet zozeer op een toenemend restwarmte-effect.

Een manier om de niet-consumptieve effecten van een warmte-eiland te achterhalen is door metingen te verrichten aan een 'dodenstad', bijvoorbeeld een verlaten industrieterrein of havengebied. Daar speelt het UHI-effect wel, maar zonder de restwarmte. Of je zou de verschillen in een industriële omgeving kunnen onderzoeken tussen de temperaturen op werkdagen en die op feestdagen wanneer de werkzaamheden stil liggen. Het ligt voor de hand dat dergelijk onderzoek al eens is gedaan, maar ik heb er nog niets over gevonden. (Toegevoegd: er schijnt inderdaad een weekend-effect² te bestaan.) In Oost-Afrika spelen volgens John Christy nog weer andere oorzaken een rol. Een koude luchtlaag aan de grond die na zonsondergang ontstaat wordt door menselijke activiteiten verstoord.

Een bijzonder gevolg van de Urban Heat Islands is dat de neerslag toeneemt. De invloedscirkel bedraagt enkele tientallen kilometers: "Mean monthly rainfall rates within 30-60 kilometers downwind of the cities were, on average, about 28 percent greater than the upwind region. In some cities, the downwind area² exhibited increases as high as 51 percent", bleek uit een onderzoek van de NASA. Uiteraard heeft de toegenomen neerslag op zijn beurt ook weer invloed op de temperatuur. Maar deze invloed is nu eerder negatief. Waar het regent is het immers kouder? Als het effect van extra neerslag rondom een hitte-eiland elders gecompenseerd wordt doordat er daar minder neerslag valt (en het dus warmer is), dan moeten we die extra hitte op conto schrijven van de UHI's. Is het toeval dat Schiphol sinds de jaren zeventig een extreme neerslagtoename kende van 8 mm/jaar? Is het toeval dat bij mooi weer (oostenwind?) het kustgebied voor Amsterdam, Haarlem en Schiphol mistig of nevelig wordt terwijl het landinwaarts helder blijft? Of spelen hier nog weer andere factoren een rol, aerosolen, zout, smog? Vergelijk ook dit stuk: Clearer skies over Europe as fog halved in 30 years.^2,3 Het is best mogelijk dat de opwarming als gevolg van restwarmte en overige UHI-effecten ongeveer wordt 'goedgemaakt' door vervuilde lucht met een tegengesteld, afkoelend effect. Juist daarom zou het interessant zijn om gedetailleerde temperatuurmetingen te doen met een hoge resolutie in tijd en plaats. Alleen zo krijgen verschillende temperatuurveranderende oorzaken een duidelijker reliëf.

Al met al lijkt restwarmte niet verwaarloosbaar. Dit geldt des te meer voor de overige UHI-effecten. Misschien moet je zeggen dat ons land als geheel reeds een hitte-eiland is. Als dit klopt, dan is het des te opmerkelijker dat hieraan weinig aandacht wordt geschonken. Had K. K. te A. dan toch een punt met zijn opmerking dat de mist niet meer zo vaak in de weilanden ligt als vroeger en dat er weleens een verband kon zijn met het UHI-effect, in het bijzonder het restwarmte-effect?

Hittegolven vormen een direct gevaar voor de bewoners van hitte-eilanden. Het bekendste voorbeeld is de hittegolf van Parijs in de zomer van 2003, toen er 15.000 doden vielen. Hoewel de hittegolf heel Europa overspoelde (27.000 dodelijke slachtoffers) en kan 'samenhangen' met de globale opwarming, werden de steden het zwaarst getroffen. De verwachting is dat er in de toekomst vaker hittegolven zullen zijn, met beduidend hogere temperaturen, en beduidend langere duur.^1,2,3 Overigens overtreft het aantal doden door kou in sommige landen het aantal doden als gevolg van hittegolven. Dit kan ook voor Nederland gelden. Tijdens de koude januarimaand van 2009 overleden er 1000 ouderen meer dan gemiddeld. De zuidelijke landen zullen aanzienlijk meer last krijgen van de hitte. Toch zal ook Nederland rekening moeten houden met zwaardere hittegolven en extremer weer.

In De toestand van het klimaat in Nederland 2008 stelt het KNMI dat ons land sinds 1950 2,2 keer zo snel is opgewarmd als de rest van de wereld, ofwel 1,5 °C. De versnelde opwarming is volgens het KNMI "hoogstwaarschijnlijk systematisch" en concentreert zich in een gebied van West-Europa dat zich uitstrekt van Frankrijk tot Polen. De versnelde opwarming kwam als een verrassing en werd niet voorspeld door de gebruikte klimaatmodellen: "Tot nu toe werd verwacht dat de opwarming in Nederland (en omstreken) ongeveer even snel zou gaan als de wereldgemiddelde stijging van de temperatuur. We liggen immers op middelbare breedte en staan onder invloed van zowel land als van zee." Naast het versterkte broeikaseffect noemt het KNMI als mogelijke oorzaken de uitdroging van continentale gebieden in de zomer, waardoor minder verdamping zorgt voor minder afkoeling; windrichtingveranderingen; schonere lucht en een afname van de bewolking met extra zonnestraling en opwarming als gevolg. Impliciet wordt ook het UHI-effect genoemd: de steden zijn immers droger dan het omringend landschap. Ze verdampen dus minder water en dat geeft op zijn beurt minder afkoeling. (Toegevoegd: sommige klimaatmodellen suggereren dat windrichtingveranderingen en warmer weer in Midden- en West-Europa veroorzaakt worden door warmer weer uit Zuid-Europa.)

In 2005 verscheen een WWF-rapport (Europe feels the heat) over de opwarming van een aantal grote Europese steden vanaf 1974. Lissabon, Madrid, Londen, Athene, Luxemburg en Lissabon waren de grootste uitschieters met een temperatuurstijging van rond 2 °C. De ligging van deze steden wijkt af van het gebied dat volgens het KNMI de grootste extra opwarming heeft.

Interessant is een onderzoek uit 2003, door Kenneth Hinkel e.a.. Een klein stadje in Alaska, dat in de 20e eeuw was gegroeid van 300 tot 4600 inwoners, bleek tijdens de winter gemiddeld 2,2 °C warmer dan de omgeving, en gemiddeld 3,2 °C bij windstil weer. Dit geeft al meteen een aardig beeld van de invloed van wind op de restwarmteverspreiding. Hoe lager de temperaturen in het stadje waren, hoe groter de termperatuurverschillen tussen de stadsomgeving en het land. De voor de hand liggende verklaring was dat er bij koud weer harder werd gestookt. De grootste stad/landverschillen traden op in de namiddag. Ook interessant, want het niet-consumptieve UHI-effect zou juist 's nachts het grootst zijn.

Het UHI-probleem - de vraag wat het effect is UHI's is op het klimaat van een groter gebied - ligt gevoelig om redenen die slechts zijdelings te maken hebben met de overwegingen in dit stuk. Klimaatsceptici hebben erop gewezen dat de wereldwijde temperatuurmetingen vertekend zijn door gegevens van meetstations uit (groeiende) urbane gebieden, die nu juist oververtegenwoordigd zijn in de metingen. Hetzelfde zou kunnen gelden voor de betrouwbaarheid van neerslag- en windgegevens. Over deze kwestie is veel te doen geweest. Het gaat om een methodologische discussie over de vraag hoe je de wereldgemiddelde temperaturen betrouwbaar kunt meten. Het is natuurlijk niet zo dat er met UHI-effecten geen rekening wordt gehouden. Er bestaan rekenmethodes om de effecten te compenseren. Het bestaan van hitte-eilanden op zichzelf is geen punt van discussie. Het IPCC erkent de grote lokale invloed van de Urban Heat Islands: "Although human energy production is a small influence at the global scale, it may be very important for climate changes in cities." Over het UHI-effect publiceerde de weerkundige Luke Howard al in 1818 in The Climate of London. Hij ontdekte dat de nachten van Londen 3.70 °F warmer waren dan het platteland. Overdag zou de stad juist iets koeler zijn vanwege het koelend effect van rook, een verschijnsel² dat zich nu vooral in de Aziatische economieën voordoet. In Nederland werd het UHI-effect honderd jaar later gemeten in de Hortus Botanicus van Amsterdam. Sindsdien is er veel onderzoek gedaan naar hitte-eilanden. Maar vooral in het buitenland. Delen van New York kunnen 10 °C warmer zijn dan hun omgeving. Grote Amerikaanse steden hadden de afgelopen eeuw bijvoorbeeld temperatuurstijgingen tot 0,6 °C/decennium en meer. In de periode 1948-1988 namen de bevolking en de urbane oppervlakte van Phoenix met 300% toe. De gemiddelde temperatuur steeg met 0.72 °C/decennium, de gemiddelde minimumtemperatuur met 1,0 °C/decennium. Hoe groter de steden, hoe groter hun opwarming. Los Angeles werd gemiddeld 2,8 °C warmer in de 20e eeuw. Daar bleven delen van het Amerikaanse platteland ver bij achter. Dergelijke gegevens lijken in strijd met andere onderzoeksresultaten, waaruit zou blijken dat de steden niet méér zijn opgewarmd dan hun omgeving (zie bijv. dit artikel of meteen Jones ea 2008). Je kunt het je bijna niet voorstellen.

Hoe zit het met ons land? Het zou interessant zijn als men temperatuurrreeksen van de steden zou bijhouden. Maar dit schijnt niet te gebeuren, ook bijna niet in andere Europese steden. Als de weerman voorspelt dat het in Nederland 30 °C wordt, dan willen de stadsbewoners toch zeker weten wat hun eigen stad doet? Stel dat de temperatuur daar kan oplopen tot 33 of 35 °C, dan is dat nogal een verschil. In de VS, waar men te maken heeft men een veel grotere diversiteit en grotere weerextremen, maken weermannen dit onderscheid tussen de stad en de omgeving al wel. De informatie is voor medici en hulpdiensten² van belang, en heeft een belangrijke preventieve functie. Denk aan bejaarden in flats die de deur niet uit kunnen om verkoeling te zoeken. Niet zelden valt in grote, moderne gebouwen, waar men de ramen niet meer open kan doen, het klimaatsysteem uit. "As UHIs are characterized by increased temperature, they can potentially increase the magnitude and duration of heat waves within cities. Research has found that the mortality rate during a heat wave increases exponentially with the maximum temperature (Buechley ea 1972), an effect that is exacerbated by the UHI. The nighttime effect of UHIs (discussed below) can be particularly harmful during a heat wave, as it deprives urban residents of the cool relief found in rural areas during the night (Clarke, 1972)", zegt wikipedia. Nederland is zich vanwege de klimaatverandering aan het voorbereiden op toekomstige hittegolven. Sinds enige tijd geeft het KNMI een weeralarm uit, maar in deze lijst wordt extreme warmte niet genoemd. Bij een hittegolf worden de steden extra zwaar getroffen. Daar vallen veruit de meeste slachtoffers. Inmiddels woont een meerderheid van de wereldbevolking in de steden. Je kunt je afvragen of het droger klimaat in de stad niet ook een zeker gunstig effect heeft. Minder benauwd? Hoewel, ook de hoeveelheid neerslag en onweer boven een hitte-eiland neemt toe. Dat geeft drukkend weer. Het UHI-effect is vooraf 's nachts actief, maar dit verschilt per locatie. Je zou daarom ook willen weten hoe het zit in Nederland. Zijn er nu echt geen Nederlandse temperatuurreeksen voor de steden bekend? Heeft niemand ooit eens een thermometer aan de Euromast bevestigd, op een universiteitsgebouw of ergens bij een verkeerskruispunt? Dat zou toch interessante informatie opleveren? Is er dan misschien ergens een weeramateur te vinden die al dertig jaar lang metingen verricht in dezelfde straat van zijn stad? (In het centrum van Londen gedurende 1981- 2006 werd 0,61 °C/decennium gevonden. De temperatuur op Heathrow Airport steeg in die periode met 0,65 °C/decennium.¹ Opvallend is de sterke opwarming, maar ook dat er nauwelijks verschil is tussen het vliegveld en het centrum van Londen. Door het UHI-effect kan Londen tot 5 °C warmer zijn dan zijn omgeving.) (Toegevoegd: op 6 aug 2009 werd het UHI-effect in Rotterdam en Arnhem onderzocht.^1,2,3 De temperatuurverschillen tussen het centrum van de stad en de omliggende omgeving waren 3-5 °C, maar konden lokaal oplopen tot 8-10 °C. Van de oorzaken wordt het restwarmte-effect wel genoemd maar niet nader gespecificeerd: "Warmteproductie door verkeer en bedrijvigheid en verminderde afkoeling doordat vegetatie en open water schaars zijn, zijn andere factoren die bijdragen aan het UHI." De grootste temperatuurverschillen werden 's nachts gemeten tijdens helder en kalm weer. Het centrum van Rotterdam was 2 °C warmer dan Zestienhoven, terwijl het vliegveld op zijn 2,4 °C warmer was dan het stadspark De Twee Heuvelen. In de loop van de avond liepen de temperatuurverschillen tussen het stadscentrum en Zestienhoven op tot boven de 5 °C.)

(Toegevoegd:) Er komen steeds meer vragen. Laatst (apr 2009) las ik dat de temperatuurreeks van De Bilt gecorrigeerd wordt voor het effect van verstedelijking: "[D]e maandgemiddelde temperatuurreeks van De Bilt [is] gehomogeniseerd door te corrigeren voor het stadseffect [6], de verplaatsingen van de meethut in 1950 en 1951 en de hoogteverandering van 2.2m naar 1.5m in 1961. (...) De verschillen met de oude reeks zijn vrij klein, zo is de invloed van de urbanisatie rond De Bilt niet meer dan 0.11°C." Er zijn dus toch gegevens beschikbaar. En naar betere gegevens wordt gezocht: "Sinds enige jaren worden er mobiele temperatuurmetingen verricht langs het traject Nieuwegein-Utrecht-De Bilt. Deze metingen zijn bedoeld om meer inzicht te krijgen in het effect van de stad Utrecht op de metingen in De Bilt." Het klinkt een beetje cynisch, maar is wat we uit De Bilt krijgen niet de 'echte' temperatuur, maar een 'theoretische', gecorrigeerde temperatuur? Er worden drie reeksen bijgehouden: rauwe data, gehomogeniseerd, en Centraal Nederland Temperatuur (CNT). Over CNT merkt het KNMI op: "De weegfactoren na 1958 worden zo gekozen dat meetwaarden die veel afwijken van het gemiddelde minder meetellen. De Centraal Nederland Temperatuur is representatief voor het gebied tussen de steden Utrecht, Arnhem, Breda en Eindhoven." Dit betekent ook dat als er ergens een sterk restwarmte-effect bestaat, dit minder zwaar wordt meegewogen. Dat er correcties worden doorgevoerd, is denk ik nodig voor klimaatonderzoek (en modellen). Maar daarnaast wil je toch ook graag de rauwe temperatuurdata behouden. Bijvoorbeeld om te kunnen vergelijken. Als buitenstaander vraag je je af welke reis de gehomogeniseerde data afleggen. Zal een klimaatkaart van Nederland straks het feitelijke klimaat wel tonen, of het klimaat zoals het er had uitgezien als er in ons land sinds 1897 niets was bijgebouwd en de energieconsuptie gelijk was gebleven? De invloed van de toegenoemen urbanisatie in De Bilt gedurende de 20e eeuw wordt geschat op 0,10 °C (0,11 °C in het citaat hierboven) met een vrij grote onnauwkeurigheid van ± 0.06 °C. Een flinke band van 0,04 °C - 0,16 °C blijft over. Dat is nog steeds niet veel, vergeleken bij Amerikaanse gegevens. Een echte groeikern is De Bilt echter niet. Het ligt voor de hand dat de grote steden en vooral de steden die te maken hadden met een sterke uitbreiding (zoals Almere) of een intensivering van de ruimte (zoals de Zuidas Amsterdam), flink hoger uitkomen dan De Bilt. Zouden de temperatuurgegevens van de overige meetstations in Nederland ook gecorrigeerd worden? Ik heb lang gezocht naar een stadswarmtesignaal door de data uit Nederlandse weerstations te vergelijken, vooral die uit de Randstad en de grote steden ten opzichte van de landelijke stations. Iets overtuigends vond ik nog niet. Maar als (sommige van) die gegevens gecorrigeerd zijn voor urbanisatie-effecten, dan vind je zulke effecten natuurlijk niet. Helemaal duidelijk is het KNMI hierover niet: "Waarschuwing: door stationsverplaatsingen en veranderingen in waarneemmethodieken zijn deze tijdreeksen van maandwaarden niet homogeen." Dus niet, of niet volledig gecorrigeerd? Bij mijn eerdere naspeuringen heb ik ook naar een historische windrichtingkaart gezocht. Immers, een klimatologische windrichtingverandering brengt immers ook temperatuurveranderingen: "Station De Bilt is in the transition zone (TZ) between the urban and rural area, being surrounded by three towns, Utrecht, De Bilt and Zeist. (...) Strong dependence on wind direction was apparent for clear nights, with the greatest effects (up to 1 °C on average) for wind coming from the towns. The magnitude of the effect decreased with increasing cloudiness. The analysis suggests that most of the structure in the wind direction dependence is caused by urban heat advection to the measuring site in De Bilt."¹ Die historische kaart vind je hier. De materie is complex. "Er is weinig bekend over het UHI in Nederland", zegt wikipedia. Deze tekst (mrt 2009) en deze op deze website bevestigt veel van de opmerkingen en zelfs enkele 'aanbevelingen' die hier eerder werden gemaakt. Men neemt restwarmte en UHI-effecten tegenwoordig serieus.

De laatste woorden zijn niet gesproken, maar het is duidelijk dat er drie effecten naast elkaar bestaan: het versterkte broeikaseffect, het UHI-effect en restwarmte. Afgezien van lokale en regionale gevolgen, blijft het resultaat van Karel Knip ruwweg overeind: de mondiale restwarmte komt in zijn som uit op ongeveer 1% van de totale antropogene opwarming van het klimaat. Die waarde ligt vermoedelijk wel aan de lage kant. Het IPCC-rapport van 2007 geeft 0,002 °C per decennium sinds 1900 voor het totale UHI-effect (par. 3.3.2.4 Urban Areas - file van 25Mb). Dat is bijna 3% van de totale opwarming van de aarde in diezelfde periode. Brohan ea 2005 geven een 'conservatieve' waarde van minimaal 0,0055 °C/decennium sinds 1900. En dat is alweer ruim 7% van de totale mondiale opwarming. Het aandeel van de restwarmte zal in de toekomst zeker verder oplopen, samen met de overige UHI-effecten (urbanisering) en de sterk groeiende mondiale energieconsumptie (met mogelijk 50% in 2030 of meer).

Een recente berekening laat zien dat restwarmte in de toekomst een grote rol zal spelen. Bij ongewijzigd beleid: "If humanity's future energy use grows at just 1% per year, slower than in recent history, and if thermal emissions are not controlled through changes in technology, the total forcing due to all emissions will not peak and decline significantly as currently predicted, but after a slight dip will continue to rise" (Cowern & Ahn 2008).^2,3

Noot