Kantelpunten 7: samenvatting en conclusies

Dit is het laatste deel van zeven artikelen over kantelpunten in klimaatverandering. Hierin geven we een samenvatting van de mechanismen die mogelijk tot positieve terugkoppeling en kantelpunten in klimaatverandering kunnen leiden.

De energiebalans voor de aarde ontstaat als gevolg van een hele reeks plussen en minnen. Gelijkelijk verdeeld over het totale aardoppervlak van 148,9 miljoen km² bedraagt de energie die de zon instraalt 340 W/m². De totale hoeveelheid die de aarde ontvangt is dus 50,6 x 10¹⁵ W = 50,6 x 10 ¹⁵ J/s

Een groot deel 45.2 % van de invallende kortgolvige zonnestraling wordt al direct door wolken teruggekaatst en door wolken geabsorbeerd en bereikt het aardoppervlak nooit. Van het deel dat wel het aardoppervlak bereikt wordt ook weer 12.3 % direct teruggekaatst door het Albedo effect.

De aarde straalt zelf naar alle richtingen energie uit in de vorm van Infra Rode (IR) straling. Dit is voor een heel klein deel (0,027 %) afkomstig uit het binnenste van de aarde. Een ander klein deel ( 5%) energie verliest de aarde via convectie door opstijgende warme lucht.  Ook ontsnapt er warmte door de faseovergang van damp naar water en ijs in de hogere atmosfeer. De terug gestraalde IR warmte wordt voor een belangrijk deel in de atmosfeer geabsorbeerd door de broeikasgassen waarvan waterdamp, CO₂ en methaan de belangrijkste zijn. Slechts 12 % passeert de atmosfeer en ontsnapt naar de ruimte.

Als alle processen met elkaar in balans zouden zijn wordt de aarde niet warmer en niet kouder. We weten inmiddels dat dit lang niet altijd het geval is geweest. In de afgelopen 500 miljoen jaar traden er langdurig grote verschillen op.

Ook uit onze vrij gedetailleerde kennis over de ijstijden vanaf 1 miljoen jaar geleden blijkt dat er grote schommelingen optraden zonder dat mensen daar enige invloed op hadden.

De hoeveelheid zonnestraling kan variëren vanwege de Milankovic cycli en vanwege meer of minder zonnevlekken. De temperatuur op aarde heeft daar geen enkele invloed op en dus kan daarvoor geen positieve terugkoppeling zijn.

De hoeveelheid wolken kan sterk variëren en omdat deze beïnvloed wordt door de temperatuur van de bovenste laag oceaanwater is hier een terugkoppeling wel zeer voor de hand liggend. De terugkoppeling kan echter negatief zijn door de reflectie van zonlicht, maar kan ook positief zijn omdat de wolken ook zonlicht absorberen en als IR naar het aardoppervlak uitstralen. Daar komt bij dat waterdamp een sterk broeikasgas is dat de door het aardoppervlak uitgestraalde IR absorbeert en weer teruggeeft. Alleen al de hoeveelheid en de aard van de bewolking en de luchtvochtigheid kunnen dus al voor een aanzienlijke verandering van de warmtebalans zorgen.

De terugkaatsing van kortgolvig zonlicht vanaf het aardoppervlak wordt sterk bepaald door het oppervlakte ijs en sneeuw.  Een warmere aarde heeft minder ijs en sneeuw zodat dit proces een positieve terugkoppeling veroorzaakt.

Ten slotte is de samenstelling van de atmosfeer niet constant. Behalve de hoeveelheid waterdamp kan het gehalte CO₂ en methaan en enkele andere broeikasgassen sterk beïnvloed worden door biologische processen op aarde. De belangrijkste invloed is de biologische kringloop van koolstof. Indien de fotosynthese door planten op land en in zee tot organische stof groter is dan de afbraak van organische stof, daalt de concentratie CO₂. Dat gebeurt door veenvorming en door sedimentatie in de oceanen waarbij organisch materiaal zich bij gebrek aan zuurstof ophoopt. Onder bepaalde omstandigheden kan daaruit zonder zuurstof door micro-organismen methaan gevormd worden, of onder hoge druk en temperatuur op grote diepte olie en steenkool.

Deze koolstofverbindingen worden meestal op grote diepte opgesloten en vormen daar na vele miljoenen jaren een enorm reservoir fossiele koolstofverbindingen. Een deel van het biologisch gevormde methaan kan onder bepaalde omstandigheden met water tot methaanhydraat vastgelegd worden. Door vulkanisme en aardbevingen of aardverschuivingen kan een deel van het in miljoenen jaren opgehoopte methaan in vrij korte tijd als gas naar de atmosfeer ontsnappen. Omdat methaan een sterk broeikasgas is kan dit bij een grote hoeveelheid ontsnapt gas tot een relatief snelle en sterke opwarming leiden.

Deze opwarming kan vervolgens een kettingreactie veroorzaken, waarbij ijs en sneeuw smelt, vegetatie verdwijnt, zeestromingen kunnen veranderen, zuurstofloze zones kunnen ontstaan en het hele systeem verstoord wordt.

Al deze processen gebeuren van tijd tot tijd ook zonder de mens. In de laatste honderd jaar heeft de mens echter een grote storingsfactor toegevoegd door zoveel fossiele koolstofverbindingen te verbranden dat het gehalte CO₂ in de atmosfeer met een kleine 20 % is gestegen.  De totale energiebalans is daardoor veranderd. Dit uit zich in een opwarming van de aarde en voor 90 %  in een gestage opwarming van het water in de oceanen.

Uit data van NOAA/NSDIS/NODC Ocean Climate Laboratory  Levitus et al 2012 valt af te leiden dat er elk jaar 10 ²² J bij komt.

Uit de benodigde smeltwarmte voor het verdwijnen van het volume zee ijs valt te berekenen dat er per jaar 0,005 x 10²² J is opgenomen

Omgerekend is dit samen  31,7 x 10¹³  J/s   Omdat dit 90 % is kunnen we voor de totale opwarming uitgaan van 35 x 10 ¹³ J/s

Dit betekent dat het energiesysteem voor  35 x 10¹³  /50,6 x 10 ¹⁵ = 0,69 % uit balans is. Dat wil zeggen er komt 0,69 % meer energie binnen dan er uit gaat.

De bijdrage door de totale warmteproductie door de mens door alle verbrandingsprocessen bedraagt  18 TW (Wikipedia)

Omgerekend  1,8 x 10¹³ J/s

Volgens EIA was het in 2013    5,67 x 10²⁰ J = 1,8 x 10¹³  J/s

Dit draagt dus voor 1,8/35 = 5 % bij aan de opwarming. De overige opwarming komt als gevolg van het broeikaseffect.

Deze globale berekening veronderstelt dat alle energie homogeen over de aarde is verdeeld. Dat is niet zo.  De evenaar ontvangt veel meer energie dan de polen en door beweging van lucht en water wordt dit de warmte slechts ten dele geëgaliseerd. Ook is er verschil tussen land en water en tussen hooggebergtes en lage landen. Al deze verschillen zorgen voor een grillig verloop van het weer en regionale klimaatzones.

De door de mens geproduceerde warmte is eveneens niet gelijkmatig verdeeld, maar geconcentreerd in steden. Het bebouwde oppervlak is slechts 0,5 % van het aardoppervlak en dus slechts 0,15 % van het totaal. In stedelijke gebieden vormt de door de mens veroorzaakte warmte dus een veel groter deel van de opwarming.

In dit overzicht over kantelpunten zijn nog niet alle processen en mechanismen beschreven die in principe tot een positieve terugkoppeling kunnen leiden. Zo is de verandering van chemische reacties in de atmosfeer door meer of minder ozon en zuurstofradicalen niet meegenomen. Ook de rol van vulkanische uitbarstingen, aswolken, aerosolen en de rol van zwaveldioxide en stikstofoxiden zijn buiten het overzicht gehouden.

Van de 18 mechanismen die wel in deze reeks de revue zijn gepasseerd, zijn er een zevental die waarschijnlijk niet op een termijn van enkele tientallen jaren van groot belang zijn voor versnelling van de klimaatverandering in de wereld. Er zijn daarentegen een negental processen die wel nu al lokaal of regionaal zichtbaar aan de gang zijn, sterk met elkaar samenhangen en elkaar versterken. En tenslotte zijn een paar processen die in theorie elk een zeer sterke terugkoppeling kunnen geven maar nog zeer onzeker of omstreden zijn.

Processen die waarschijnlijk geen versterking geven

Er zijn grote verschillen tussen de huidige situatie en die in de ijstijden. We zitten niet in de buurt of aan het begin van een periode met maximale instraling vanwege de Milankovic cyclus. Er zijn geen grote stof- en zandstormen vanuit subpolaire woestijnen naar de ijskappen op de polen, waardoor het Albedo effect teniet gedaan kan worden. Het zeeniveau is minstens 80 meter hoger dan in de glaciale perioden en de ijskappen zijn veel kleiner en dunner. Daardoor is niet te verwachten dat er door geotektoniek dermate grote hoeveelheden methaanijs uit diepe zeebodems vrij zullen komen, dat daardoor ook de concentratie CO₂ binnen enkele tientallen jaren snel zou kunnen stijgen.

De CO₂ concentratie in onze tijd is echter wel ruim twee keer zo hoog als tijdens de koudste glaciale perioden toen de sterke temperatuurstijgingen begonnen. Tenslotte speelden de overgangen van glaciaal naar interglaciaal zich af in een tijdsbestek van honderden tot duizenden jaren en we mogen toch wel hopen dat de we de invloed van de mens op het klimaat toch zeker binnen honderd jaar drastisch weten te verminderen.

Het bufferend effect van smeltend ijs via het opnemen van smeltwarmte is van groot belang, maar de hoeveelheid landijs op de wereld is zo groot dat dit effect de komende duizenden jaren niet volledig zal verdwijnen. Wel kunnen er binnen enkele tientallen jaren lokaal positieve terugkoppelingen ontstaan, zoals bij hooggebergten waar de gletsjers en de ijsbedekking geheel zal verdwijnen en in zeegebieden waar zee-ijs verdwijnt.

Het effect van een warmer klimaat op kracht en/of aantal orkanen lijkt voor de hand te liggen maar valt erg moeilijk te bewijzen vanwege de grote variatie. In omgekeerde zin lijkt het duidelijk dat de orkanen geen of zelfs een kleine negatieve terugkoppeling geven van de opwarming.

De toename van het aantal dead zones in de oceanen is verontrustend maar wordt niet aantoonbaar veroorzaakt door het opwarmen van de zeeën en ook is niet aan te tonen, en zelfs niet aan te nemen dat het komt doordat de grote oceanische circulatie zou zijn veranderd. Daarmee is het ontstaan van methaan uit die dead zones geen duidelijk gevolg van opwarming en dus leidt dit niet tot een sterke positieve terugkoppeling. De oorzaak van de dead zones moet vooral gezocht worden in de uitspoeling van meststoffen, waardoor lokaal algenbloei en afsterving ontstaat.

Het afsterven van koralen, waardoor er geen kalk meer wordt gevormd, is zeer waarschijnlijk een gevolg van hogere temperaturen in de tropische wateren in combinatie met verzuring, maar lijkt geen grote invloed te hebben op de totale CO₂ balans van de atmosfeer.

Processen die nu al plaatsvinden en een positieve versterking geven

De relatief snelle opwarming van het hele gebied boven de poolcirkel, inclusief de Arctische oceaan en delen van Alaska en Siberië is overduidelijk al enige tientallen jaren aan de gang en lijkt zich te versnellen. Tot nu toe verloopt de opwarming in dat gebied 2 à 3 keer zo snel als aan de evenaar. In dit gebied spelen zich minstens 9 processen af die een positieve terugkoppeling op de opwarming hebben.

1. Allereerst leidt het verdwijnen van zee-ijs tot een vermindering van het Albedo effect .
2. Het donkere zeewater neemt veel meer warmte op en zonder zee-ijs wordt deze energie in veel mindere mate opgenomen als smeltwarmte.
3. Doordat het temperatuurverschil tussen evenaar en polen kleiner wordt, vermindert de intensiteit en dus ook de snelheid van de straalstromen op 10 tot 4 km hoogte in de atmosfeer. Deze stromingen gaan sterker meanderen en daardoor verdwijnt de polaire vortex die polaire lucht min of meer afsloot van subpolaire lucht. Daardoor komt regelmatig meer warme lucht in het polaire gebied en dit vormt een positieve terugkoppeling van de opwarming.
4. De meanderende straalstromen veroorzaken ook veel langere en warmere zomers in Siberië, Alaska, Californië, Zuid Europa en Australië en daarmee een sterke toename van bosbranden en veenbranden met veel roet en CO₂.
5. Het smelten van zee-ijs en landijs wordt vervolgens weer versneld door de neerslag van fijnstof en roet
6. en aan de randen van de smeltgebieden bovendien door groei van algen op het ijs.
7. De opwarming van de uitgestrekte gebieden met permafrost leidt er toe dat de zomerse dooi van de toplaag zich steeds verder naar het noorden verspreidt en ook steeds dieper strekt. Hierdoor neemt het Albedo effect door grote sneeuwvlaktes af.
8. Door het smelten van de bovenste laag kan er methaan vrijkomen dat voordien als gas of als methaanijs was gevormd (8).
9. Ook kunnen bacteriën de ontdooide laag organische materiaal versneld gaan verteren en daarbij alsnog CO₂ en methaan vormen.

De hoeveelheden kunnen gestaag toenemen en dit proces kan vele jaren doorgaan voordat alle organische stof op is. Via de verhoging van de methaanuitstoot en het broeikaseffect geeft dit weer een vrij sterke positieve terugkoppeling van de opwarming.

Al deze negen processen zijn niet hypothetisch maar reeds aantoonbaar aan de gang. Het kwantificeren van de totale impact blijft echter moeilijk. Alleen de afname van Albedo (1 +7) kan een versterkingsfactor van 1,25 à 1,5 betekenen. Alleen het ontdooien van de permafrost (8+9) kan een versterking met een factor 1,2 geven. Het is niet duidelijk of er sprake is van een kettingreactie of van een ander samenspel van factoren. Een versnelling van de opwarming zal ook al optreden omdat de mens niet onmiddellijk kan omschakelen en volgens één van de IPCC scenario’s nog een 30 tot 40 jaar zal doorgaan met de uitstoot van broeikasgassen.

Bij een eenvoudige optelling van alle factoren kan de opwarming in de komende tientallen jaren gemakkelijk met een factor 2 à 2,5 versnellen. Dat zou betekenen dat er per 10 jaar 0,5 graad bij komt, zodat we over 40 jaar op 3 graden verhoging uitkomen.

Omdat een verhoging van de gemiddelde temperatuur met meer dan 3 graden catastrofale gevolgen zal hebben, betekent het dat er voor de grote transitie naar een klimaatneutrale samenleving haast geboden is.

Processen die eventueel een zeer sterke positieve terugkoppeling kunnen geven

Door het samenspel van al deze positieve terugkoppelingen dreigt een deel van de Noord Atlantische golfstroming haar warmte langer vast te houden en te gaan overdragen naar onderzeese kustgebieden ten Noorden van Siberië. Op een diepte van enkele honderden meters zouden daar vervolgens lagen met methaanijs kunnen gaan ontdooien, waardoor er in korte tijd relatief veel methaan kan vrijkomen. Vele kleine gasbellen kunnen de laag verder destabiliseren en voor onderzeese aardverschuivingen zorgen. Dit laatste proces kan volgens de clathrate gun hypothese in theorie een heel sterke positieve terugkoppeling geven, die sterker kan zijn dan alle andere effecten samen. Het is nog omstreden of en wanneer dit zal gebeuren en hoeveel dit dan zal bijdragen. Het zou een voorbeeld zijn van een dramatische kettingreactie die zich gaat voordoen als de combinatie van de andere factoren nog enige jaren doorzet.

In hoeverre een sterke opwarming van het gebied boven de poolcirkel doorzet naar de rest van de wereld is niet duidelijk. Er schuilt echter wel een groot gevaar dat er zelfs ook bij een minder snelle opwarming ook buiten de gebieden boven de poolcirkel hele sterke effecten merkbaar zullen worden.

Een van de meest bedreigende processen daarbij is een gestage toename van de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer. Ondanks het grote effect van waterdamp als broeikasgas heeft dit proces tot nu toe relatief weinig publieke aandacht gekregen en is het vanwege de grote dynamiek van water in de atmosfeer ook uitermate moeilijk te kwantificeren. Behalve waterdamp levert een sterkere bewolking eventueel ook een positieve terugkoppeling. Tegenover deze positieve terugkoppelingen staat dat een toename van de hoeveelheid bewolking ook een negatieve terugkoppeling kan geven via reflectie van zonlicht, maar het is niet duidelijk of de bewolking  toeneemt.

Slechts enkele recente studies wijzen er op dat hier sprake kan zijn van een haast onvoorspelbare kettingreactie met zeer sterke positieve terugkoppeling.

Indien een hogere luchtvochtigheid en meer wolkenbedekking zich inderdaad op grote schaal gaan voordoen zou dit van alle processen de sterkste terugkoppeling kunnen geven en zou het klimaat ongetwijfeld over een kantelpunt heen kunnen schieten. Tegelijkertijd is de onzekerheid over de effecten van luchtvochtigheid en wolkenvorming het grootst.

De term kantelpunt is enigszins misleidend en dat geldt ook voor het beeld van de kano die pas omslaat als je te veel overhelt. Het beeld klopt voor wat betreft de laatste twee processen omdat de opwarming dan op eigen houtje doorschiet en we er niets meer aan kunnen doen.

Het suggereert echter ook dat er tot aan dat punt weinig aan de hand is en dat we veilig zijn zolang we er maar voorblijven. In werkelijkheid gaat het bij het klimaat om een aantal zeer verschillende processen met positieve terugkoppelingen die voor een deel al aan de gang zijn. Door een positieve terugkoppeling verandert een rechtlijnige trend in een exponentiële toename. Als de terugkoppeling door de negen processen die nu al aan de gang zijn met elkaar een versterking geven van bijvoorbeeld 40% in 10 jaar, zal dat na 30 jaar 1,4 x 1,4 x1,4 = 2,75 zijn. Over 60 jaar gaat het dan al 7,5 keer zo hard. Dit is slechts een willekeurig rekenvoorbeeld.

De onderstaande figuur van WMO laat zien dat de opwarming sinds het jaar 2000 al 1,25 keer sneller verloopt dan in de dertig jaar daarvoor. Hoe groot de gezamenlijke versterking van alle negen reeds begonnen processen met een positieve terugkoppeling in de komende 30 jaar tot 2050 zal zijn, durf ik niet te zeggen, maar dit kan op termijn wellicht wel door de wetenschappelijke experts aan de hand van metingen en computermodellen worden bepaald. Het lijkt me verstandig daar niet op te wachten.

Lees de overige delen van de serie via de inleiding.