De natuur is te grillig

Met computermodellen proberen wetenschappers klimaatveranderingen te voorspellen. Maar het blijft behelpen.

RAAR EIGENLIJK. Iedereen weet dat het niet meevalt om over een periode van meer dan vijf dagen een betrouwbare weersvoorspelling te doen. Desondanks staan de kranten vol met verontrustende berichten dat modelberekeningen zouden hebben uitgewezen dat het over zo'n vijftig jaar overal op aarde zes graden warmer zal zijn. Toch zijn klimaatmodellen de grotere broertjes van de modellen waarop het weerbericht is gebaseerd. Die laatste houden echter uitsluitend rekening met wat er in de atmosfeer gebeurt.

Om het klimaat te kunnen voorspellen, moet ook de invloed van de veel langzamer variërende oceanen worden meegenomen en vooral ook de wisselwerking die er tussen de twee bestaat. Dat maakt voorspellingen over een periode van jaren tot zelfs tientallen jaren mogelijk. De Coupled ocean-atmosphere General Circulation Models (CGCM) berekenen het gemiddelde weer. Ze doen dat op basis van elementaire natuurkundige wetten: lucht stroomt nu eenmaal altijd van een hoge- naar een lagedrukgebied, nooit andersom en ook energie en massa gaan niet verloren. Nu is het niet eens zo ingewikkeld om die wetten in formulevorm uit te schrijven. Een veel groter probleem is het om te bepalen hoe de atmosfeer of de oceanen zich op grond van die formules gedragen. Het is tot nu toe onmogelijk gebleken om de wiskundige vergelijkingen die de dynamiek beschrijven exact op te lossen. Daarom moeten modelbouwers hun toevlucht nemen tot benaderingen.

De modelbouwers delen eerst de atmosfeer en de oceanen op in cellen met afmetingen van twee- tot driehonderd kilometer; de hoogte is zodanig dat de atmosfeer wordt opgedeeld in twintig niveaus. Vervolgens worden aan de cellen waarden toegekend voor de temperatuur, druk, luchtvochtigheid enzovoorts, op basis van actuele metingen. Dan gaat de computer aan de slag. Die berekent hoe de omstandigheden in dit grove netwerk van uur tot uur veranderen. Zolang de tijdstappen klein genoeg zijn, kunnen de benodigde vergelijkingen worden versimpeld waardoor ze wél opgelost kunnen worden.

Het eerste probleem dat zich daarbij aandient, is dat de modellen rekening zouden moeten houden met processen die zich over vele lengteschalen afspelen: van luchtstromingen van de orde van de planeet zelf, tot condensatie van het kleinste waterdruppeltje. Noodgedwongen worden alleen grootschalige verschijnselen meegenomen. Als je op dezelfde manier alleen al het effect van lokale stormen of cyclonen mee zou willen nemen, zouden computers nodig zijn die vele malen sneller zijn dan de nu beschikbare.

Ook kan onmogelijk elke wolk boven Nederland apart meegenomen worden. Daarom wordt de hele cel bewolkt, zodra is voldaan aan vooraf vastgelegde omstandigheden als temperatuur en vochtigheidsgraad waarbij wolken plegen te ontstaan. Dat leidt voor die cel tot een verandering van de albedo, de mate waarin het zonlicht gereflecteerd wordt. Wolken hebben echter ook een opwarmend effect, omdat ze als een isolerende deken fungeren. Hoe dat precies in elke situatie uitpakt, is een punt van veel discussie. Ook is de exacte rol die het poolijs speelt of het effect van vegetatie nog niet erg duidelijk. Toch moeten al deze factoren zo goed en zo kwaad als het gaat in het model meegenomen worden.

Het is dan ook geen wonder dat deze manier van werken lang niet altijd juiste resultaten oplevert. Tijdens de dagenlange berekeningen moeten de modellen soms even `met de hand' bijgesteld worden, omdat er bijvoorbeeld in een aantal cellen negatieve regenval is opgetreden. Hoewel dergelijke flux adjustments in principe niets afdoen aan het eindresultaat, wordt de geloofwaardigheid van de uitkomst toch enigszins aangetast als er te veel ingrepen nodig zijn.

Tot begin jaren negentig gingen alle klimaatmodellen er vanuit dat alleen broeikasgassen als kooldioxide het klimaat konden beïnvloeden. In de daarop volgende jaren werd echter duidelijk dat ook (sulfaat) aërosolen, kleine deeltjes afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen, een zeer belangrijke rol spelen. Bij heldere hemel reflecteren deze deeltjes de inkomende zonnestraling, en in wolken veranderen ze de deeltjesgrootteverdeling en de concentratie van waterdruppeltjes, waardoor ze ook wolken meer reflecterend maken. Bovendien laten ze de wolken ook langer bestaan, doordat ze neerslag voorkomen. Pas nadat ook dit soort effecten werd meegenomen, begonnen de modellen beter te kloppen. Toen werden zelfs geografische patronen van temperatuurveranderingen berekend – bijvoorbeeld als gevolg van economische activiteit – die overeenkwamen met de werkelijkheid.

Maar het voorspellen van het huidige klimaat en de jaarlijkse seizoenscyclus is maar één voorwaarde waar een goed model aan moet voldoen. Het model zal ook de historische ontwikkeling van het klimaat, voorzover daarover meetgegevens bekend zijn, adequaat dienen te beschrijven. Een goede test is bijvoorbeeld of het model de gevolgen van de uitbarsting van de Filipijnse vulkaan Pinatubo op het mondiale klimaat goed kan weergeven. Hierbij kwam er zoveel stof en as in de atmosfeer terecht dat het klimaat overal ter wereld ontregeld werd.

De volgende horde die een model moet nemen, is de simulatie van een volledig afwijkende klimaattoestand in het verre verleden, zoals het maximum van de laatste IJstijd zo'n 20.000 jaar geleden. Gegevens over die periodes komen uit luchtinsluitsels van boorkernen uit het poolijs, de samenstelling en dikte van sedimentlaagjes in meren of jaarringen van bomen.

De ultieme en moeilijkste test is de simulatie van een abrupte klimaatverandering. Een voorbeeld daarvan is het stoppen of omkeren van de conveyor belt, een wereldomvattend systeem van oceaanstromen. Dat systeem is onder andere verantwoordelijk voor het relatief zachte klimaat in West-Europa, dat toch op gelijke geografische breedte ligt als het veel koudere Canada. Met deze `lopende band' wordt water afkomstig uit de tropen naar het noorden van de Atlantische Oceaan gezogen door `pompen' die worden aangedreven door de wind en de rotatie van de aarde. Deze stroming voert een enorme hoeveelheid warmte aan – zo'n 10 watt, honderd keer het totale mondiale verbruik – waardoor de temperatuur in Noordwest-Europa gemiddeld ongeveer zes graden stijgt. In de buurt van Groenland zinkt dit betrekkelijke zoute en dan afgekoelde water zo'n twee tot drie kilometer naar beneden om onder water de kringloop vol te maken.

Deze gratis centrale verwarming heeft de afgelopen tienduizend jaar weliswaar probleemloos gefunctioneerd, maar dat is niet altijd het geval geweest. Er zijn aanwijzingen dat een aantal `abrupte' klimaatveranderingen in het verleden het gevolg waren van een omkering van de stroom. Sommige modelberekeningen wijzen uit dat ook een versterkt broeikaseffect de stroming wel eens van richting zou kunnen laten veranderen, als er veel meer regenwater de Atlantische Oceaan instroomt. Juist op dit punt zijn de modellen nog niet nauwkeurig genoeg of, anders gezegd, is de natuur nog te grillig en onvoorspelbaar.

Die grilligheid betekent niet dat de modellen in hun huidige vorm niet gebruikt kunnen worden. Daartoe wordt meestal een aantal scenario's doorgerekend: `Wat gebeurt er met de temperatuur op aarde?' of `Hoeveel stijgt de zeespiegel bij een verdubbeling van het CO2-gehalte?'. Of `Wat zou er gebeuren als de op de klimaatconferentie in Kyoto afgesproken emissiereducties worden gehaald?' Een nauwkeuriger bepaling van de onzekerheid in de berekeningen kan worden verkregen door de uitkomsten van verschillende modellen met elkaar te vergelijken. Ten slotte is ook veel afhankelijk van de beschikbaarheid van voldoende actuele meetgegevens, met name op en in de oceanen. Daartoe wordt nu al een uitgebreid satellietnetwerk opgezet.