Het ergste komt nog

Het klimaat verandert. Hoe kan dat en wat staat ons te wachten? Volgende week vergaderen daarover 1.700 onderzoekers in Amsterdam en daarna begint nieuw overleg over het Kyoto-protocol in Bonn. Een overzicht van de belangrijkste wetenschappelijke kwesties.

Het broeikaseffect laat zich vrij eenvoudig beschrijven: het aardoppervlak warmt op omdat er door toedoen van de mens steeds meer gassen in de atmosfeer belanden die de warmtestraling van de aarde absorberen en ten dele naar het oppervlak terugzenden. Het bestaande stralings-evenwicht tussen aarde en zon is verstoord en een nieuw evenwicht, met een warmere aarde, stelt zich in.

Maar in de praktijk blijken gecompliceerde klimaatmodellen nodig om aan te tonen dat dat nieuwe evenwicht een merkbare verandering zal opleveren die groter is dan de natuurlijke variatie. En de modellen zijn nodig om te voorspellen hoe ernstig de gevolgen kunnen zijn. En bovendien om een verstandig beleid in de emissie van broeikasgassen te kunnen voeren.

De ontwikkeling van klimaatmodellen vormt het hart van het bestaande broeikas-onderzoek. Elk klimaatmodel is een vereenvoudigde, wiskundige voorstelling van de aardse werkelijkheid waarin zowel de atmosfeer, het landoppervlak, de oceanen, het zeeijs en de poolkappen hun karakteristieke rol spelen (in de vorm van fysisch-chemische formules). De huidige modellen zijn nog steeds grofmazig: ze beschrijven interacties tussen homogene blokken atmosfeer of oceaan die 250 bij 250 kilometer groot zijn. Zoiets als wolkvorming speelt zich af op veel kleinere schaal en moet dus met een technische truc worden verdisconteerd. Gewoonlijk laat men de uitwisseling van materie, energie en impuls tussen de compartimenten per half uur opnieuw berekenen. Omdat modellen ontwikkelingen over decennia of zelfs eeuwen moeten simuleren kunnen bepaalde processen daarbij makkelijk `ontsporen' en onrealistische waarden aannemen. Waar dat evident is worden ze dan kunstmatig bijgeregeld: dat is de beruchte flux adjustment, de zwakke plek van de modellenbouwer.

Het afgelopen decennium is een zeer indrukwekkende vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van de modellen. Tien jaar geleden slaagde men net in de koppeling tussen atmosferische en oceanische modellen, inmiddels is ook het effect van sulfaat-aerosol en andere stof- en vloeistofdeeltjes in de atmosfeer in rekening gebracht en werd ook de koolstof-kringloop in de modellen opgenomen. Veel modellen weten het zelfs in lange runs al zonder flux adjustment te stellen. Zelfs een gecompliceerd fenomeen als El Niño (een natuurlijke variatie in de zeestromen en passaten van de Stille Oceaan) kan worden nagebootst. De rem op de vooruitang lijkt nu eerder te komen van het beschikbaar computervermogen dan van theoretisch inzicht.

Zo goed zijn de klimaatmodellen inmiddels dat ze het huidige klimaat met grote precisie kunnen reconstrueren. Dat geeft onderzoekers het vertrouwen dat ze ook een goed beeld kunnen geven van de natuurlijke variabiliteit van het klimaat. Klimaten veranderen altijd, zo niet onder invloed van cyclische processen als El Niño en incidentele gebeurtenissen als vulkaanuitbarstingen, dan wel door de verandering van de zonne-intensiteit. Het staat nu wel vast dat de veranderingen die de laatste decennia optraden statistisch gezien significant uitstijgen boven de natuurlijke variabiliteit: `Het signaal komt boven de ruis uit'. Dit geldt niet alleen voor temperaturen van het aard- en zeeoppervlak en de warmte-opslag in oceanen maar ook voor de verkorting van gletsjers, de stijgende zeespiegel, afnemende sneeuwbedekking en het dunner worden van het zeeijs rond de noordpool.

Goedbeschouwd had men ook zonder klimaatmodellen tot deze conclusie kunnen komen, want paleo-klimatologen slagen er steeds beter in voorbije klimaten met grote precisie te reconstrueren. Er is een stroom van artikelen waarin vèrgaande conclusies worden getrokken uit onderzoek aan jaarringen van bomen, koralen, zeeslib, luchtinsluitsels in ijs, enz. Van belang is echter dat alleen klimaatmodellen het bewijs kunnen leveren dat deze veranderingen het gevolg zijn van stijgende concentraties kooldioxide, methaan en lachgas.

Een geïsoleerd probleem is dat de geleidelijke temperatuurstijging aan het aardoppervlak, die de laatste twintig jaar zeer uitgesproken is, kennelijk niet gepaard gaat met een opwarming van de hogere troposfeer. Dat wordt wel voorspeld door klimaatmodellen. De troposfeer is de onderste atmosfeerlaag die zich uitstrekt tot een hoogte van zo'n 10 kilometer. De temperatuur in de troposfeer wordt al een halve eeuw onderzocht door radiosondes die éénmaal daags met een ballon worden opgelaten. Bovendien bepalen weersatellieten de temperatuur sinds 1979 met een Microwave Sounding Unit (MSU). Die meet warmtestraling van zuurstofmoleculen en concentreert zijn observaties rond een hoogte van zes kilometer.

De gewone metingen aan het aardoppervlak tonen de laatste twintig jaar een gemiddelde stijging van 0,25 tot 0,40 graad Celsius. De MSU's en sondes niet. De MSU-apparatuur heeft een trend die niet verder gaat dan 0,0 tot 0,2 graad voor de hele periode. Omdat de discrepantie als de zwakste plek in de broeikastheorie wordt beschouwd heeft de Amerikaanse National Research Council (NRC) de kwestie vorig jaar expliciet onderzocht (zie `Reconciling Observations' op www.nap.edu).

Voor de afwijkende resultaten van de MSU's is een reeks van aannemelijke technische verklaringen gevonden. Zo bleek dat de MSU's ook een deel van de stratosfeer in hun observaties opnamen. De stratosfeer wordt door het broeikaseffect (en door ozonverlies) steeds kouder. Verder noemt de NRC-commissie een periode van twintig jaar te kort voor conclusies. Zij sluit niet uit dat de hogere troposfeer inderdaad nauwelijks opwarmde maar dat dit later nog bijtrekt. In ieder geval, noteert zij, tast het `in geen enkel opzicht' de conclusie aan dat het aan het aardoppervlak warmer wordt.

Hoewel het IPCC in zijn laatste rapport aanneemt dat het deze eeuw iets warmer zal worden dan tot dusver werd aangenomen is de verwachte zeespiegelstijging naar beneden bijgesteld. Nieuwere klimaatmodellen voorspellen een kleinere bijdrage van gletsjers en ijskappen. Het `gemiddelde' van de zeespiegelstijgingen die voor talloze emissie-scenario's zijn berekend ligt rond de 48 cm voor de periode 1990-2100. (De vorige waarde lag rond 54 cm.) De voornaamste bijdrage aan de niveaustijging komt van het uitzetten van het opwarmend water. De volgende post bestaat uit de zich terugtrekkende landgletsjers. Verder wordt aangenomen dat Groenland netto ijs zal verliezen, al is dat minder zeker. De zuidpool zal door toenemende neerslag (sneeuw) waarschijnlijk eerder aangroeien.

Het vertrouwen in de invloed van het uitzetten van het zeewater neemt toe. De in reactie op het broeikaseffect waargenomen warmteopslag van de oceanen stemt goed overeen met de berekeningen (Science, 13 april). Er is ook goede hoop dat de actuele bijdrage van Groenland aan de zeespiegelstijging binnen enige jaren gepreciseerd kan worden. Minieme veranderingen in de dikte van de ijsmassa op Groenland kunnen sinds kort heel precies gemeten worden vanuit satellieten (met radar) en vliegtuigen (met laser). Dankzij het GPS-systeem is ook het schuiven van gletsjers te kwantificeren. Nature liet op 22 februari bovendien zien dat het smelten van grote hoeveelheden landijs een aantoonbaar effect heeft op het zwaartekrachtveld. Plaatsen met het grootste ijsverlies zijn te herkennen aan een lokale daling van het zeeniveau. Voor lange-termijn voorspellingen is een probleem dat Groenland geologisch gezien nog herstelt van de laatste ijstijd. Het is onzeker wat de weerslag daarvan is op de stroomsnelheden van gletsjers.

Lang werd het broeikasdebat beheerst door de angst dat de kilometers dikke westelijke ijskap op de zuidpool (de West Antartic Ice Sheet, WAIS) als gevolg van de opwarming pardoes in zee zou kunnen `stromen'. Dan zou het zeeniveau met vele meters tegelijk stijgen. De catastrofe-theorie was gebaseerd op de waarneming dat de westelijke ijskap steunt op een rotsbodem die een paar honderd meter beneden zeeniveau ligt en – erger nog – naar het centrum van de pool diep wegzakt. Volgens de eerste eenvoudige rekenmodellen was dit een zeer instabiele configuratie. Nieuwe berekeningen en waarnemingen suggereren dat het niet zo'n vaart zal lopen. Maar verontrustend blijft dat zich in de WAIS de laatste decennia zeer grote en snelle veranderingen voordoen. IJsplaten voor de kust breken plotseling op, sommige `ijsrivieren' versnellen, andere vallen zomaar stil. Op 2 februari berichtte Science dat een van de gletsjers die de WAIS draineren snel dunner wordt. Tot het systeem achter dit alles begrepen is blijft men het gebied wantrouwen. Een deel van de verklaring kan komen van het gegeven dat ook Antarctica nog aan het herstellen is van de laatste ijstijd.

Een andere mogelijke `collaps' die in het kader van het broeikaseffect veel aandacht krijgt is de hypothetische ineenstorting van het stelsel van oppervlakkige èn zeer diep gelegen zeestromen dat wordt aangeduid met de thermohaliene cyclus (THC). De Golfstroom die West-Europa zijn milde klimaat geeft is deel van dit systeem. Traditioneel was het beeld dat de grote zeestromen op aarde vooral door wind gedreven werden en langs de oppervlakte gesloten cirkels vormden. Pas in de jaren twintig werd duidelijk dat er ook verticale zeestromen zijn, dat horizontale stromen soms een diep gelegen tegenhanger heben die water in omgekeerde richting afvoert.

Het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan kent twee plaatsen (ter weerszijden van Groenland) waar het oppervlakte-water naar de diepte wegzakt. Het toch al tamelijk `zware' water dat uit de richting van Florida toestroomt krijgt er door afkoeling en zeeijsvorming (waarbij zout wordt uitgedreven) zo'n hoge dichtheid dat het zwaarder wordt dan het omringende water. Halverwege de jaren tachtig opperde Wallace Broecker het vermoeden dat dit ook een instabiele toestand was, gevoelig voor relatief kleine verstoringen. Als door een trendmatige toename van de regenval boven de Golfstroom, of het uitblijven van de vorming van zeeijs boven het afzinkgebied, de waterdichtheid onvoldoende toeneemt kan het wegzakken stoppen en vertraagt de Golfstroom. Onderzoek aan boorkernen uit het landijs op Groenland toonde aan dat zich in het geologisch verleden in het gebied inderdaad snelle klimaatwisselingen voordeden.

Uitputtend modelwerk aan atmosfeer-oceaan gekoppelde klimaatmodellen heeft de theorie steun gegeven. Volgens de laatste inzichten (Nature, 10 juni 1999) is het mogelijk dat één van de twee convectie-gebieden, te weten dat ten westen van Groenland (in de Labrador Zee) al voor 2030 uitvalt. De Labrador-stroom stopt dan, wat voor de lokale vis- en vogelstand een ramp wordt. Ook de Golfstroom remt af, maar waarschijnlijk niet zó erg dat West-Europa gaat afkoelen in plaats van opwarmen.

Veel recent onderzoek is erop gericht een beter beeld te krijgen van de stromingspatronen in de thermohaliene cyclus (die heel complex blijken) en bovendien om vast te stellen of er al signalen zijn die op een afremming wijzen. Die zijn er inderdaad (Nature, 21 juni), maar onduidelijk is of ze deel zijn van de gewone natuurlijke variabiliteit of tekenen van naderend onheil.

Politiek gevoelig is het onderzoek aan de aardse koolstofbalans. Al sinds 1958 wordt de atmosferische CO2-concentratie vanaf Hawaii continu gemeten. De resultaten sluiten goed aan bij de metingen aan luchtinsluitsels in het ijs van de zuidpool en Groenland. De CO2-toename is grillig en weerspiegelt effecten van El Niño en vulkanen. De hoeveelheid CO2 die jaarlijks door de inzet van fossiele brandstof in de lucht komt is goed uit nationale boekhoudingen te reconstrueren en ook af te leiden uit de dalende zuurstofconcentratie die ermee gepaard gaat. De `fossiele' CO2-uitstoot groeit sterk, tusen 1980-1989 was hij nog 5,4 gigaton koolstof per jaar, een decennium later gemiddeld 6,4 gigaton per jaar. Sinds een paar jaar kan goed worden geschat hoeveel de oceanen en hoeveel land-ecosystemen aan CO2 vastleggen.

Het blijkt dat de welkome CO2-opname van de oceanen afzwakt maar dat anderzijds de land-opname in de periode '90 tot '99 formidabel groeide van 0,2 tot 1,4 gigaton koolstof per jaar. Dit heeft een al te abrupte stijging van de atmosferische CO2-concentratie voorkomen. Er is grote belangstelling voor de vraag welke landvegetatie zoveel CO2 vastlegt.

Er zijn twee benaderingen. Men kan de minieme, maar consistente verschillen in CO2-concentraties die op aarde worden aangetroffen gebruiken om via `inverse modeling' te reconstrueren door welke grote opnames en emissies die worden veroorzaakt. Of men kan gebruik maken van bosbouwkundige en agrarische statistiek die gewoon weegt waar de meeste koolstof in biomassa wordt vastgelegd.

Inverse modeling door S. Fan (1998) suggereerde het bestaan ven een `sink' ter grootte van maar liefst 1,7 gigaton/jaar in Noord-Amerika. Als Fan gelijk zou hebben zou bijna de hele jaarlijkse Amerikaanse productie aan CO2 door bosbijgroei en dergelijke worden gecompenseerd. Maar anderen kwamen met dezelfde techniek lager uit en wezen op enorme jaarlijkse variatie. Ook bosbouwkundige statistiek van Richard Houghton (1999) bleef op een lage waarde hangen: hooguit 0,35 gigaton per jaar.

Op 22 juni publiceerde Science de uitkomsten van nieuw bosbouwkundig onderzoek waarbij Houghton betrokken was. De CO2-opname door de Amerikaanse landvegetatie wordt nu (voor 1980-1989) op 0,4 tot 0.7 gigaton per jaar geschat. De wonderbaarlijke bijstelling is het gevolg van nieuwe schattingen voor oude koolstofstromen en de lichtelijk absurdistische bijtelling van zoiets als de export van landbouwproducten: dus tarwe-, mais- en soja-export als compensatie voor het benzineverbruik. Voor de Amerikaanse onderhandelaars in het Kyoto-overleg is de nieuwe waarde een godsgeschenk.

Het staat wel vast dat de VS over twee weken het Kyoto-protocol (en trouwens ook het klimaatverdrag van 1992 en het aanvullende Berlijn-mandaat van 1995) definitief zullen afwijzen. Heel erg is dit niet. Het Kyoto-protocol was pas het eerste protocol van een hele reeks die nodig is om de zich ontwikkelende klimaatverandering zó af te remmen dat ecosystemen zich kunnen aanpassen. Onder druk van de regering-Clinton was het protocol al uitgehold, uitvoering in huidige opzet had vrijwel geen zoden aan de dijk gezet. Het is een goede aanleiding om een zinniger protocol te ontwerpen, zonder al die malle, vrijblijvende aansporingen die er nu in staan.

Het Kyoto-protocol was al verouderd voor het was aangenomen. Een aantal gassen en stoffen die een belangrijke rol spelen in het broeikaseffect, zoals roet en stoffen die de vorming van (troposferisch) ozon bevorderen is er niet in opgenomen. Juist de aanpak van roet en troposferisch ozon zou snel een gunstig effect kunnen hebben, betoogde klimaatonderzoekr James Hansen vorig jaar augustus. Hansen vindt dat er te veel aandacht is voor beperking van CO2-uitstoot en raadt aan de belangstelling te verplaatsen naar methaan (en roet en ozon).

De gassen die al wel in het protocol zijn opgenomen (kooldioxide, methaan, lachgas en diverse synthetische fluorverbinding) moeten voor wat betreft hun broeikaseffect in elkaar worden omgerekend. Daarbij hanteert men de zogenoemde Global Warming Potential (GWP) die in feite uitdrukt hoeveel meer een bepaald gas bijdraagt aan opwarming dan een zelfde hoeveelheid kooldioxide. In de bestaande regeling wordt naar het totale effect voor een periode van 100 jaar gekeken en dat laatste is een volstrekt willekeurige maat. Was een andere periode gekozen, dan waren andere omrekenfactoren gevonden. Er is veel kritiek op de keuze.

Sommigen keren zich sowieso tegen de puur fysische benadering van GWP's en vinden dat meer economische criteria moeten worden gehanteerd bij de `trade off', het in elkaar omrekenen van de verschillende gassen. Alan Manne en Richard Richels gaven in Nature (5 april) een voorbeeld van zo'n alternatieve aanpak die misschien weerklank vindt bij de regering-Bush.

De Amerikanen willen ook dat de CO2-opname door de spontane aanwas van hun bestaande bossen van hun industriële CO2-uitstoot wordt afgetrokken. Het Kyoto-protocol verbiedt dat (in artikel 3, lid 3). Logisch is dit niet, wel praktisch. Want de extra CO2-opname van bestaand bos is moeilijk te meten. Mocht de Amerikaanse benadering worden aanvaard, dan ontstaat ook hier nog veel vraag naar wetenschappelijk onderzoek.

Donderdag 12 juli 2001, om 20 uur, wordt in het kader van de Global Change Open Science Conference een publiekslezing gehouden door Berrien Moore, in de Lutherse Kerk UvA (Singel 114, Amsterdam). Informatie via alw@nwo.nl of 070-3440619.

    • Karel Knip