Het klimaat van de toekomst voorspellen

In de geschiedenis van de aarde is het klimaat een aantal keer drastisch veranderd. Het werd warmer, soms wel tot enkele graden Celsius, waardoor nieuw leven zich ontwikkelde en ander juist uitstierf. Dit beïnvloedde de hele wereld. Identificeren en voorspellen van deze kantelpunten is cruciaal om effectief om te gaan met de huidige klimaatverandering. Maar hoe kunnen we deze kantelpunten zien aankomen? En wanneer zijn ze in het verleden voorgekomen?

Tipping points

Sommige gebeurtenissen in het klimaatsysteem kunnen worden vergeleken met het vullen van een glas water. Kleine veranderingen lijken aanvankelijk weinig effect te hebben, net zoals een paar druppels water die aan een glas worden toegevoegd. Het glas is nog niet vol en er verandert nog niet veel. Maar naarmate het waterpeil stijgt en het glas bijna de rand bereikt, kan zelfs een kleine gebeurtenis, zoals nog een enkele druppel, een groot effect hebben: het glas kan overstromen. Op dat moment wordt een 'tipping point', ofwel een kantelpunt, overschreden. Hierdoor ontstaat een nieuwe situatie die niet snel teruggedraaid kan worden naar hoe het voorheen was. Een hedendaags voorbeeld van zo'n kantelpunt is het smelten van methaanhydraten. Dit proces veroorzaakt een snelle stijging van broeikasgassen en daarmee een toename van de temperatuur.

Rollend balletje

Wanneer er een kantelpunt in het klimaat nadert, gaat de veerkracht van het klimaatsysteem omlaag. De veerkracht van een klimaatsysteem kan worden gevisualiseerd als de grootte van het dal waarin het systeem zit (zie figuur 1). Hierbij symboliseert het balletje de staat waarin het klimaatsysteem verkeert. In de situatie van een kleine veerkracht wordt het balletje al bij een kleine schommeling uit het huidige dal geknikkerd, om vervolgens in een kantelpunt over te gaan en in een nieuwe stabielere toestand terecht te komen. In de situatie van een hoge veerkracht is het dal waarin de bal zit een stuk groter, zodat deze niet zo snel uit de huidige stabielere situatie wordt gebracht.

Er zijn verschillende vroege waarschuwingssignalen bekend die aangeven dat er een kantelpunt aankomt. Het belangrijkste signaal is een verhoogde autocorrelatie. Dat wil zeggen dat twee opeenvolgende punten erg sterk op elkaar lijken. Dit signaal treedt al op voordat het kantelpunt in het klimaat optreedt. 

Kantelpunten uit het verleden

De vroege waarschuwingssignalen meten hoeveel vertraging het systeem heeft. Bij een vergrootte vertraging gaat de autocorrelatie omhoog, en zit er een kantelpunt aan te komen. De vergrootte vertraging is afgebeeld in figuur 1 als de minder steile wanden van het dal waarin het balletje zit. Het dal is kleiner en het systeem minder veerkrachtig. Hierdoor kan door de autocorrelatie de veerkrachtigheid van het klimaatsysteem worden bepaald. 

Er zijn in het verleden al verscheidene omslagpunten geweest in het klimaat waarbij deze signalen zijn herkend. Een van deze omslagpunten vond plaats tijdens de overgang van het Paleoceen naar het Eoceen (Paleocene Eocene Thermal Maximum, PETM), 56 miljoen jaar geleden. Gedurende het Paleoceen en vroege Eoceen zag de aarde er heel anders uit: er lagen niet of nauwelijks gletsjers op de polen, zoogdieren waren nog maar net opgekomen en bijna de hele wereld was bedekt met (sub)tropische bossen met veel varens. 

Tijdens de overgang steeg in een relatief korte tijd (20.000 jaar) de temperatuur enorm, tussen de 6-8 graden Celsius. Deze snelle temperatuurstijging werd veroorzaakt door het plotselinge vrijkomen van grote hoeveelheden koolstof in de atmosfeer en de oceaan, hoogstwaarschijnlijk afkomstig van opgeslagen reservoirs van bevroren koolstof op de zeebodem, bekend als gashydraten. Deze plotse temperatuurstijging overschreed een kritiek punt, wat resulteerde in het vrijkomen van aanzienlijke hoeveelheden methaan, een krachtig broeikasgas, in de oceaan en de atmosfeer. Dit versterkte het broeikaseffect en verergerde de opwarming van het klimaat. Zo raakte het klimaatsysteem instabiel. Op verschillende momenten in de geschiedenis is opgemerkt dat wanneer de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer en oceaan toeneemt, zoals aan het einde van het Paleoceen en tijdens het begin van het Eoceen, de autocorrelatie stijgt voordat een negatieve piek in koolstofisotopen zichtbaar is. Dit suggereert dat de veerkracht van de koolstofkringloop en het klimaat afneemt, wat wijst op een naderend kantelpunt.

Kantelpunten in de toekomst

Als we signalen uit het verleden begrijpen en kantelpunten herkennen, kunnen we deze kennis gebruiken bij de huidige klimaatverandering, zodat we weten of en wanneer er een kantelpunt aan zit te komen. Op dezelfde manier dat deze waarschuwingssignalen zijn herkend in het paleoklimaat van het einde van het Paleoceen en begin Paleoceen, zijn deze herkend in andere kantelpunten van het heden en verleden. Doordat deze signalen zich voornamelijk voordoen voordat er een kantelpunt wordt overschreden, is het dus mogelijk om deze te voorspellen. Dit biedt veel inzicht in de huidige klimaatverandering, en in wanneer we een mogelijk kantelpunt overschrijden.

Echter, de vraag blijft: wat doen we met deze informatie? Als we weten dat een kantelpunt nadert, is er dan nog een weg terug? En als dat niet het geval is, wat zijn dan de mogelijke gevolgen? Deze vragen benadrukken hoe belangrijk het is om vooruit te denken en actief te reageren om cruciale omslagpunten te voorkomen of te verzachten. We moeten ons snel aanpassen aan veranderende omstandigheden als zo'n omslagpunt onafwendbaar lijkt.

BRONNEN

Dakos, V. Why should we expect Early Warnings before Critical Transitions? Early Warnings Signals Toulbox.