Hoe warm het was en hoe koud

Is de huidige opwarming een natuurlijk verschijnsel of door de mens veroorzaakt? Waarnemingen van de afgelopen duizend jaar moeten een oplossing brengen. Tot nader order houdt de mens schuld.

ELK JAAR als de kersenbomen rond zijn paleis in Kyoto in bloei raakten hield de Japanse keizer een groot feest om zijn gasten van de schoonheid van de bloesems te laten meegenieten. Soms, als de winter niet had willen wijken, kwam het feest pas laat in het voorjaar. Een andere keer, als de lente heel vroeg had ingezet, al in de eerste week van april.

Altijd werd zorgvuldig bijgehouden op welke dag de keizer zijn feest had gehouden. Vele eeuwen lang. Meer dan duizend jaar lang. Zo komt het dat we nu nog weten dat de kersen van Kyoto in de negende eeuw omstreeks 11 april in bloei raakten en dat dit in de tiende eeuw gemiddeld 12 april was. Maar in de de vijf eeuwen daarna lag de datum rond 17 of 18 april. Daarna is het bloesemfeest geleidelijk weer vroeger in de maand beland.

In China en Japan zijn uitzonderlijk veel en oude fenologische waarnemingen van deze soort bewaard gebleven. Zoveel zelfs dat paleoklimatologen in staat waren tot een redelijke reconstructie van het Chinese klimaat in het afgelopen millennium. Voor dit soort reconstructies is de laatste decennia de belangstelling sterk toegenomen omdat ze een antwoord mogelijk maken op de klemmende vraag: is de aarde tegenwoordig uitzonderlijk warm? Kan de huidige opwarming niet gewoon een speling van de natuur zijn? Over deze kwestie woedt al jaren een fel debat, die een voorlopig hoogtepunt vond in een recente publicatie in Science (30 september).

De `modellenbouwers', de onderzoekers die het huidige, het historische en toekomstige mondiale klimaat afleiden uit omvangrijke en gedetailleerde fysische klimaatmodellen twijfelen niet aan de invloed van broeikasgassen op het klimaat. Anderen, minder overtuigd van de onfeilbaarheid van de computermodellen, sluiten nog steeds een natuurlijke verklaring voor klimaatverandering niet uit. Het staat immers vast dat zware vulkaanuitbarstingen zoals die van de Tambora of de Krakatau het klimaat wel voor twee of drie jaar kunnen beïnvloeden.

Ook lijkt wel zeker dat de wisselende activiteit van de zon, het komen en gaan van zonnevlekken, een rol speelt. Kort nadat Galilei de zonnevlekken in 1610 voor het eerst beschreef verdwenen ze tussen 1645 en 1715 geheel uit beeld. Aangenomen wordt dat ze er in die periode, inmiddels het `Maunder-minimum' genoemd, ook echt niet waren en dat dit de verklaring is voor de relatief lage temperaturen die er toen heersten. Het Maunder-minimum valt in het centrum van de relatief koele Europese periode (van de 15e tot de 19e eeuw) die wel met de Little Ice Age wordt aangeduid. De laatste decennia is de zon juist uitzonderlijk actief en het is dus niet vreemd dat sommigen dàt als voornaamste verklaring voor de huidige opwarming zien.

Sinds enige tijd spitst het debat zich toe op de vraag of de `Medieval Warm Period' regionaal of mondiaal van karakter was en of het toen warmer was dan nu. De `Medieval Warm Period' (middeleeuwse warme periode) is een term die de Britse meteoroloog Hubert Lamb in 1965 introduceerde voor de periode tussen de negende en de dertiende eeuw waarin het volgens overlevering op veel plaatsen in en om Europa uitzonderlijk warm was. Er was wijnbouw in Engeland en Scandinavië en landbouw op Groenland. Vooral dat laatste wekt de indruk dat de temperatuur destijds hoger was dan nu.

De hamvraag is of de verschillende warmte-golven die voor Europa en elders zijn beschreven zich synchroon ontwikkelden of dat ze elkaar met intervallen van decennia of zelfs eeuwen opvolgden. Dat ze dus in de tijd gezien uit elkaar lagen. Voor de reconstructie van de gemiddelde temperatuur van de gehele aarde maakt dat veel uit. Het kan op één plaats lang warmer zijn dan normaal zonder dat dit zijn weerslag heeft op de mondiale temperatuur als het ergens anders tegelijk kouder is.

Aan de basis van alle mondiale klimaatreconstructies staat de zogenoemde `instrumentele periode' die omstreeks 1855 begint. Voor 1855 waren ook al thermometers in gebruik, maar pas vanaf dat jaar zijn er voldoende reproduceerbare, nauwkeurige metingen bewaard gebleven om daaruit de gemiddelde luchttemperatuur voor het noordelijk halfrond of zelfs de hele aarde af te leiden. De Britse milieukundige Phil Jones was omstreeks 1985 de eerste die zo'n reconstructie gereed had. Twee andere, onafhankelijk werkende researchgroepen (Hansen/Lebedeff en Vinnikov) die grotendeels dezelfde historische documenten gebruikten kwamen binnen een paar jaar tot bijna identieke conclusies.

De instrumentele periode wekt de indruk dat de recente opwarming (die rond 1920 begon, in 1940 stokte en na 1975 doorzette) uniek is, zowel wat betreft grootte als snelheid. Maar 150 jaar is te kort is om een goede indruk te krijgen van de natuurlijke variabiliteit. Er is grote behoefte aan een klimaat-reconstructie die een periode van duizend jaar of meer beslaat.

Voor de reconstructie van temperaturen uit vroeger eeuwen wordt een beroep gedaan op `proxy-indicatoren', variabelen die een indirecte maat zijn voor de doorstane temperaturen. Het meest vruchtbaar bleek tot dusverhet onderzoek aan jaarringen van oude bomen waarvan de groei bewijsbaar door de temperatuur werd beïnvloed. Vaak zijn dat bomen van extreme groeiplaatsen, bijvoorbeeld dicht bij de boomgrens.

Sommigen baseren hun hele klimaatreconstructie op dit jaarringonderzoek, anderen combineren het houtonderzoek opzettelijk met gebruik van andere proxy-indicatoren om een betrouwbaarder beeld te krijgen: de `multiproxy-benadering'. De aanvulling bestaat dan vaak uit isotopenonderzoek aan boorkernen uit oud ijs of isotopenonderzoek aan koraal (waarin ook vaak jaarringen voorkomen).

ijskern

De Amerikaanse geofysicus Michael Mann publiceerde in 1998 in Nature (23 april) samen met Raymond Bradley en Malcolm Hughes een reconstructie van de gemiddelde jaar-temperaturen van het noordelijk halfrond die terugging tot het jaar 1400. Een jaar later breidde het drietal het werk in Geophysical Research Letters (15 maart 1999) uit tot het jaar 1000. Voor de periode 1000-1400 is gebruik gemaakt van jaarringen en een enkele ijskern. De bijzondere statistische aanpak die de reconstructie zijn gezag geeft was in beide gevallen dezelfde.

Het verband tussen lokale jaartemperatuur en jaarring-dikte (of een ander proxy-indicator) werd bepaald met behulp van de temperatuurvariaties uit de periode 1900-1995, op zijn waarde getoetst met behulp van metingen uit de periode 1855-1900 en uiteindelijk toegepast in de jaren daarvóór. Zowel op het temperatuur- als het jaarring-signaal zit `ruis' (noise) en het is de kunst het effect van de ruis zoveel mogelijk te elimineren. Deze kunst is een aparte wetenschappelijke discipline geworden.

De temperatuurlijn die Mann, Bradley en Hughes (MBH) in 1999 uitbrachten (zie bijgaande figuur) is van lieverlee `de hockeystick' gaan heten. Hoewel de onzekerheid in de berekeningen (aangegeven met de brede marges) groot is laat de hockeystick duidelijk zien dat de huidige temperatuurstijging uniek is voor dit millennium. Verder valt op dat de `Little Ice Age' niet als heldere periode zichtbaar wordt. Afgezien van een paar korte koude perioden heeft deze zich dus kennelijk niet over het hele halfrond gemanifesteerd. Eerder lijkt er sprake van een gestage, constante afkoeling. Uit de losse pols hebben de auteurs dat geduid als een Milankovic-effect: het gevolg van verminderde opwarming door de zon die weer voortvloeit uit veranderingen in aardbaan en aardas. De `hockeystick' zou dan het naderen van de nieuwe ijstijd zichtbaar maken.

Al in 2000 toonde geoloog/klimatoloog Thomas Crowley in Science (14 juli) aan dat dit niet juist was. Als voor een voldoende lange periode betrouwbare gemiddelde luchttemperaturen voor een heel halfrond beschikbaar zijn kan met heel eenvoudige klimaatmodellen (Energy Balance Models, EBM's) worden nagegaan wat de meest waarschijnlijke veroorzakers zijn van de waargenomen temperatuurschommelingen. EBM's leiden veranderingen in oppervlakte-temperatuur af uit veranderingen in de stralingshuishouding van de aarde. Het bleek dat meer dan de helft van de temperatuurschommelingen vóór 1850 kon worden toegeschreven aan de invloed van een wisselende zonne-activiteit en van explosieve vulkaanuitbarstingen. De rest van de schommelingen zou dan de natuurlijke, ongeforceerde variabiliteit zijn.

Drie jaar later werd opnieuw aangetoond dat geen Milankovic-effect zichtbaar was aan de hand van een nieuwe reconstructie van Michael Mann en Phil Jones (Geophysical Research Letters, 14 augustus 2003) die teruggaat tot het jaar 200 (nu ook met analyses van slib en schelpen). Tussen 200 en 1000 blijkt de temperatuur eigenlijk gestaag te stijgen. Ook deze laatste reconstructie onderstreept dat de huidige hoge temperaturen uniek zijn.

Kritiek op de MBH-reconstructie kwam er bijna onmiddellijk van verstokte tegenstanders van elke broeikascommotie (de `sceptici') die het werk in hun eigen vakblad bestreden. Maar ook veel anderen maakten bezwaar waaronder de vermaarde geochemicus Wallace Broecker. Hij is de man die als eerste het idee opperde dat het driedimensionale stelsel van zeestromingen in de Atlantische oceaan instabiel is. Broecker twijfelt aan de mogelijkheid om lange termijn-temperatuurveranderingen uit jaarringen af te leiden (zie kader) en acht het isotopen-onderzoek aan ijskernen niet gevoelig genoeg. De enige twee proxy's die volgens hem betrouwbaar en voldoende gevoelig zijn (de temperatuur in diepe boorgaten en de ligging van de sneeuwgrens in bergen) tonen aan dat Medieval Warm Period wel degelijk bestond èn een mondiaal karakter had. (Science, 23 februari 2001). Broecker denkt dat zulke warme perioden, door cyclische processen in de oceanen, in een ritme van eens per 1500 jaar terugkeren.

open brief

Ook een groep wetenschappers rond de Amerikaanse astrofysici Willie Soon en Sallie Baliunas (en niet ver van de `sceptici') doet de MBH-reconstructies op grond van literatuurstudie met grote hardnekkigheid af als rekenfouten. In de Amerikaanse pers heeft dit zoveel aandacht gekregen dat een groep van twaalf gerenommeerde onderzoekers de moeite nam de Soon/Baliunas argumenten in een open brief expliciet te weerleggen (EOS, 8 juli 2003). Soon en Baliunas verwarren droog/vochtig met warm/koud, zien regionale klimaatveranderingen aan voor mondiale, enzovoort. De groep van twaalf besloot zijn open brief met de aantekening dat de conclusie over een unieke opwarming een `robust consensus view' was.

Twee weken geleden publiceerde Science-online (30 september) toch een nieuwe aanval op de MBH-studies. Niet op de uitkomsten daarvan maar op de gehanteerde methoden. Klimaatonderzoeker Hans von Storch, verbonden aan de universiteit van Hamburg, kwam met medeonderzoekers op het idee om een modern klimaatmodel het klimaat van de afgelopen duizend jaar te laten regenereren. Het model werd voorzien van de meest aannemelijke informatie over zware vulkaanuitbarstingen en zonne-activiteit en sloeg daarna aan het rekenen. De uitkomst was een temperatuur-reconstructie die heel aardig leek op de MBH-reconstructie. De meer of minder grote gelijkenis is overigens niet van belang, het gaat om het gebruik dat er vervolgens van werd gemaakt.

Het model kon aangeven hoe in de loop van de 1000 jaar de temperaturen op verschillende plaatsen op aarde had gevarieerd. Von Storch selecteerde temperatuur-gegevens uit precies die gebieden en perioden die MBH voor hun proxy-indicatoren haden gebruikt en toverde de computer-gegevens om in `pseudo-proxy's' door er statistische ruis (noise) aan toe te voegen. De finishing touch kwam van de poging om met behulp van deze pseudo-proxy's in omgekeerde richting en geheel volgens de methode MBH weer de gemiddelde mondiale temperaturen op te roepen. Dat lukte niet: er werd aanmerkelijk minder variatie gevonden dan waarvan was uitgegaan. De hierboven genoemde `statistische aanpak' bevat een onvolkomenheid die verhindert dat lange-termijn temperatuurveranderingen goed worden gereproduceerd.

Science heeft commentaar gevraagd en gekregen van twee wetenschappers, nota bene uit de groep van twaalf, die zich bezorgd tonen over de uitkomst van de Storch-studie. Als het waar is moeten we ons oordeel over de huidige opwarming herzien.

verontrustend

Michael Mann toont zich in een e-mailreactie niet van zijn stuk gebracht. Hij wijst erop dat de MBH-reconstructies treffend overeenkomen met wel een dozijn onafhankelijke reconstructies van anderen. En de computer-exercities van Von Storch had hij zelf al eerder verricht (en gepubliceerd), maar zonder verontrustende uitkomst. Von Storch heeft de invloed van de zonneactiviteit onaanvaardbaar zwaar overdreven, dat heeft hem de das omgedaan. Een brief naar Science is onderweg.

En Phil Jones laat per e-mail weten dat het meest alarmerende aan de gebeurtenissen is dat zoveel `media people, including yourself' zich door het Science-artikel hebben laten bedotten. Tot nader order blijft de conclusie dat de huidige opwarming uniek is, althans voor de laatste 1800 jaar.