Dossier: Broeikaseffect - vriezen of smoren
SAMENVATTING
Het klimaat verandert, daar zijn wetenschappers het wel over eens. Door het broeikaseffect stijgt de temperatuur op aarde langzaam maar gestaag. Kan dat hier in Europa een vriesklimaat veroorzaken?
Sinds de film The Day after Tomorrow hebben we in ieder geval van het idee gehoord: temperatuurstijging zorgt voor een kleine ijstijd. Dat lijkt heel tegenstrijdig, maar is precies het soort gedrag wat je van het klimaat mag verwachten. Onze leefomgeving is namelijk niet één simpel te voorspellen verschijnsel. Atmosfeer, land en zee beïnvloeden elkaar op talloze manieren. Een klimaatvoorspelling kan die interacties nooit allemaal meenemen. Dat levert meningsverschillen tussen verschillende kampen van modellenbouwers, en nergens zie je dat zo mooi terug als in de broeikasdiscussie.
Filmposter van "the day after tomorrow". In deze film stopt de Golfstroom door klimaatveranderingen en bevriest het Noordelijk halfrond in een paar dagen. Het achterliggende idee berust op serieuze wetenschappelijk inzichten, maar is in deze film wel overdreven opgeklopt.
bron: 20th Century Fox
Broeikas
Het broeikaseffect kennen we allemaal. Hoe zat het ook alweer? Sinds het begin van de Industriële Revolutie heeft de mensheid fossiele brandstoffen gebruikt in haar machines. Bij de verbranding van steenkool, olie en aardgas komt kooldioxide (CO2) vrij. Net als waterdamp en methaan is kooldioxide een broeikasgas. Het absorbeert de warmte die de aarde als infraroodstraling uitzendt en kaatst die deels terug naar het oppervlak. Zonder broeikaseffect zou de temperatuur op aarde gemiddeld – 18 0C zijn, in plaats van de huidige +15 0C. De broeikasgassen werken als isolatie en zorgen dat de aarde niet teveel warmte de ruimte instraalt. Ze zijn dus nodig, maar met mate.
Het broeikaseffect. Broeikasgassen als waterdamp, kooldioxide en methaan laten zichtbaar zonlicht door, dat daarna het aardoppervlak verwarmt. De aarde straalt een deel van die warmte weer uit als infrarood licht, maar de broeikasgassen laten dat licht juist niet goed door; een deel wordt teruggekaatst naar de aarde. Die raakt daardoor minder warmte kwijt aan de ruimte dan zonder de broeikasgassen. bron: New Scientist.
De extra uitstoot van kooldioxide die de mens de laatste 200 jaar heeft verzorgt heeft volgens deskundigen het temperatuursevenwicht op aarde verstoord. De extra CO2 zorgt voor een toegenomen broeikaseffect, waarbij de gemiddelde temperatuur blijft stijgen tot een nieuw evenwicht is bereikt. En bij dat nieuwe evenwicht horen allerlei neveneffecten.
Samenhang
Het leuke – maar soms ook frustrerende – aan klimaatonderzoek is, dat je zoveel processen hebt om rekening mee te houden. Neem nou het effect van temperatuurstijging op verdamping. Hoe warmer de aarde, hoe meer water er op zeeniveau verdampt en in de hoge, koudere atmosfeer condenseert tot wolken. Die wolken kaatsen zonlicht terug de ruimte in, zodat dat het aardoppervlak niet kan verwarmen. Resultaat: de temperatuurstijging wordt afgeremd. Dit is een voorbeeld van negatieve terugkoppeling. Het originele verschijnsel (temperatuurstijging) wordt daardoor tegengewerkt.
Of niet? Waterdamp is tenslotte een broeikasgas (en nog eens een stuk effectiever dan kooldioxide). Bij een hoge temperatuur kan de lucht meer waterdamp bevatten dan bij lage temperatuur. Vandaar dat waterdamp uit onze warme adem condenseert als kleine druppeltjes wanneer we in de winter uitademen. Hoe hoger dus de temperatuur wordt, hoe meer waterdamp er in de atmosfeer komt. Die extra waterdamp versterkt het broeikaseffect weer: positieve terugkoppeling in actie.
"Het klimaat" wordt gevormd door talloze interacties. Al die processen beïnvloeden elkaar en je kunt ze dus niet in afzondering bekijken; begrip van het klimaat komt alleen door het netwerk van samenhangende processen te onderzoeken. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Modellenwerk
Er is geen mens die uit alle wisselwerkingen van land, zee en atmosfeer kan voorspellen hoe het klimaat in de loop der tijd verandert. Niet zonder hulp in ieder geval: een computer heeft wél het engelengeduld om allerlei processen door te rekenen. Vandaar dat klimaatonderzoek gepaard gaat met gigantische computermodellen. Daarin proberen wetenschappers zoveel mogelijk aspecten van de echte wereld te vangen: temperatuur van aarde, lucht en zee, verdampingsgraad, opname van stoffen door planten of zee-algen, wolkvorming...het hoort er allemaal in.
Zelfs een supercomputer heeft dagen nodig om vanuit één beginsituatie het klimaat een aantal jaar vooruit te voorspellen. Hoe gedetailleerder het model, hoe langer de berekeningen duren. En aan één berekening heeft een klimatoloog weinig: de begintoestand van het model heeft soms grote invloed op de ontwikkeling van het gesimuleerde klimaat. Daar komt nog eens bij dat niet alle wisselwerkingen in de modellen even goed begrepen zijn.
Constantes in formules zijn niet altijd exact bekend: reactiesnelheden in de stratosfeer liggen anders dan op zeeniveau, de hoeveelheid licht die een wolk terug de ruimte in kaatst moet geschat worden...onzekerheden sluipen vanzelf een klimaatmodel in. Daarom is het nodig allerlei kleine variaties van het model door te rekenen. Als een groot aantal simulaties hetzelfde klimaatgedrag voorspelt, is dan waarschijnlijker dan een gebeurtenis – zoals een wereldwijde ijstijd – die maar in één berekening de kop opsteekt.
In een klimaatsimulatie wordt de aarde opgedeeld in een eindig aantal vakjes. Elk vakje heeft één waarde voor bijvoorbeeld temperatuur, chemische samenstelling en andere grootheden. Je kunt ze vergelijken met de pixels op je beeldscherm: dit zijn de kleinste delen in de simulatie. Hoe kleiner de vakken, hoe nauwkeuriger de simulatie kan werken...en hoe langer het rekenwerk duurt.
bron: Tokyo University.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Ongewoon warm
Voor de goede orde: zelfs The Day after Tomorrow voorspelt geen ijslaag die de hele wereld bedekt; alleen grote delen van het Noordelijk Halfrond worden in de film door een klimaatverandering getroffen. Londen en Amsterdam krijgen ineens het ijzige klimaat dat Alaska kenmerkt. Dat is eigenlijk niet zo'n vreemde situatie, want het zuiden van Alaska ligt maar een paar graden noordelijker dan Amsterdam.
Waarom heeft Noord-Europa zo'n gematigd klimaat? Het antwoord op die vraag is de Golfstroom. In de oceanen bevinden zich grootschalige stromingen. Eén daarvan vertrekt vanaf de zuidelijke staten van de V.S. en trekt dan aan het wateroppervlak de Atlantische oceaan over, op weg naar Groenland. Deze Golfstroom komt bij Amerika op gang door de grote windsystemen die daar heersen. Die winden zijn de eerste motor van de Golfstroom, maar niet de enige.
Watercirculatie op aarde. Warm water wordt in de Atlantische oceaan naar het noorden gedreven door de heersende winden. Daar verwarmt het onze kusten en koelt bij Groenland sterk af. De Golfstroom is niet de enige grootschalige waterstroom op aarde!
bron: Stefan Rahmstorf, Nature
Op weg naar het noorden doet de Golfstroom Noord-Europa aan en verwarmt het water bij onze kusten. In de buurt van Groenland koelt de Golfstroom eindelijk af door het koude omliggende water en zinkt hij diep de oceaan in. Deze put 'trekt' het water naar Groenland toe. De afkoeling bij IJsland vormt de tweede 'motor' van de cyclus. In de diepten onder de Golfstroom gaat een stroom koud water terug naar Amerika, om daar weer op te warmen en te stijgen.
In The Day after Tomorrow blokkeert de Golfstroom. Noord-Europa krijgt geen aanvoer van warm water meer en bevriest. Weerpatronen op het Noordelijk Halfrond raken verstoord en niet lang daarna gaat de V.S. ten onder aan enorme hagelbuien, monstertornado's en vloedgolven. Kan dat écht gebeuren?
Het slechte nieuws is, dat de Golfstroom inderdaad kan stoppen. Eén mogelijkheid om het proces te remmen is overvloedige regenval. Regen is een stuk minder zout dan oceaanwater en hoe meer regen, hoe sterker het zoute zeewater verdund wordt. Daardoor zinkt het na afkoeling bij Groenland slechter de diepte in. De tweede motor achter de golfstroom levert bij extra regen dus minder kracht.
Windkracht alleen is niet genoeg om de Golfstroom tot bij Europa te drijven. Onderweg komt de stroom namelijk een onderzeese barrière tegen: IJsland en de Faroër-eilanden zijn de bovenste tippen van een onderzeese bergketen. Zonder de extra kracht van het zinkende water bij Groenland komt de Golfstroom daar niet overheen. Klimatologen noemen dat een Heinrich-gebeurtenis.
Links: Als de waterafzinking bij Groenland stopt, heeft de Golfstroom niet genoeg kracht meer om warm water tot in Noord-Europa te brengen. Resultaat: de temperatuur in onze streken begint te dalen.
Rechts: De golfstroom kan over de onderzeese bergrug in de buurt van IJsland heenkomen. De 'motor' van afzinkend koud water bij Groenland levert daar genoeg energie voor.
bron: Stefan Rahmstorf, Nature
Wanneer kan zo'n Heinrich-gebeurtenis plaatsvinden? Ten eerste door extra regenval – als er extra regenwolken ontstaan dus. En dat gebeurt bijvoorbeeld als de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt. Daardoor zou meer oceaanwater verdampen en wolken vormen. Maar er is nog een andere manier om de Golfstroom te onderbreken. Als de ijsmassa's op Groenland door temperatuurstijging afsmelten, komen ze in het noordelijke deel van de Golfstroom terecht. Omdat het ijs minder zout is dan het oceaanwater, gebeurt hetzelfde als bij overvloedige regenval: het oppervlaktewater zinkt minder makkelijker naar de diepte en de Golfstroom-circulatie raakt belemmerd.
Golfstroom al eerder op slot
Een geblokkeerde Golfstroom klinkt als fictie, maar de auteurs van een Pentagon-studie naar klimaatverandering denken dat het al eens is voorgekomen. Zo'n 8200 jaar geleden ondervond Europa namelijk een korte periode van afkoeling in een periode van wereldwijde opwarming. Een geremde of gestopte Golfstroom zou daar een goede verklaring voor zijn.
Klimaat in het verleden
Hoe kom je erachter of het vroeger kouder was en waar dat dan aan lag? Eén methode is opgraven van ijskernen op de Noord- of Zuidpool. Als zich daar uit neergeslagen sneeuw ijs vormt, raken er namelijk altijd kleine luchtbelletjes in gevangen. In de loop der tijd zakt oud ijs naar beneden; er komen steeds nieuwere ijslagen bovenop te liggen. Aardwetenschappers graven met regelmaat grote ijscilinders op om de gevangen lucht daarin te analyseren. Op die manier krijgen ze een goed beeld van de hoeveelheid kooldioxide die vroeger in de atmosfeer zat. Er bestaan soortgelijke manieren om uit de hoeveelheid fossielen die in een bepaald tijdperk zijn afgezet in de zeebodem de watertemperatuur – en dus de temperatuur op aarde – te meten. Daaruit valt af te leiden dat de Heinrich-gebeurtenis samenviel met een stijging in het kooldioxide-peil. Stijgende temperatuur leidde toen dus tot een afkoeling in Europa.
IJskernen bevatten kleine belletjes lucht. Hoe dieper het ijs zit, hoe ouder die lucht is. Uit de samenstelling ervan kunnen wetenschappers afleiden hoe de atmosfeer er miljoenen jaren geleden uitzag. Deze foto is genomen in Alaska.
bron: Arctic Alive.
De wetenschappers die in opdracht van het Pentagon naar Heinrich-gebeurtenissen keken, waarschuwen: in klimatologie is niets absoluut zeker. Er zijn zoveel samenwerkende factoren, dat het niet is te voorspellen wat de toekomst in petto heeft. Sommige simulaties wijzen op een lichte koeling in Europa, maar die staat zeker niet vast. De komende honderd jaar verwachten de onderzoekers in ieder geval geen spectaculaire klimaatwisselingen. Op een jaarlijkse Elfstedentocht hoeven we voorlopig dus niet te rekenen!
