Kantelpunten: positieve terugkoppelingen in de oceanen

Categorie(ën): Klimaat, Nieuws

Bij klimaatopwarming door het broeikaseffect wordt meestal over CO₂ gesproken, in mindere mate over methaan en soms over N₂O, ozon en freonen. Toch is waterdamp eigenlijk het allerbelangrijkste gas voor de temperatuurregeling van de aarde. Hoewel de absorptie van warmtestraling per kilogram niet zo groot is als die van de andere boosdoeners, is de concentratie in de atmosfeer wel circa 125 keer zo groot als die van CO₂ zodat 60 % van de totale hoeveelheid geabsorbeerde warmte door waterdamp wordt veroorzaakt. Misschien wel tot 95%.

Dat water toch meestal niet als broeikasgas wordt genoemd, komt enerzijds doordat waterdamp een korte verblijfstijd heeft in de atmosfeer: het condenseert binnen enkele dagen tot weken op grotere hoogte door de lage temperatuur en keert als sneeuw en water terug naar de aarde. Anderzijds  doordat wolken ook een Albedo effect hebben: ze weerkaatsen het zonlicht. De hoeveelheid teruggekaatst licht door wolken verandert voortdurend en wolken verplaatsen zich over de aardbol zodat het totale effect moeilijk te meten is. Ook denkt men dat er altijd al ongeveer even veel waterdamp in de atmosfeer geweest is en dat wede hoeveelheid  waterdamp in de atmosfeer niet kunnen reguleren.

Hogere luchtvochtigheid maakt verschil

Toch wordt vermoed dat waterdamp wel een belangrijke positieve terugkoppeling veroorzaakt. Om dat te kunnen bepalen is op zijn minst nodig dat we weten of de vochtigheid wel of niet toeneemt. Dat is helaas nog niet zo eenvoudig.

Omdat de bovenste waterlaag van de oceanen gemiddeld 0,5 tot 1 graad warmer is geworden, is er wat meer energie beschikbaar voor verdamping. Dat kan echter alleen als ook de lucht boven het wateroppervlak ook warmer is zodat die lucht meer waterdamp kan bevatten. Per graad opwarming van de lucht kan die 7% meer waterdamp bevatten.

Voor zowel water als lucht geldt dat de temperatuur zeer ongelijk verdeeld is. Van de evenaar tot de polen verloopt de temperatuur van het oceaanwater van 30 naar 0 graden. De temperatuur van de lucht verloopt in horizontaal vlak zelfs van plus 25 graden naar min 30 graden. In verticale richting verloopt de luchttemperatuur volgens een grillig patroon: tot 5 km hoogte wordt de temperatuur per 100 meter een graad kouder, maar op grotere hoogte tot op 50 km is de lucht weer warmer. De meeste waterdamp zal niet hoger komen dan 5 km, maar soms, zoals boven orkanen kan vochtige lucht tot 15 km opstijgen. Het is daarom erg moeilijk te berekenen hoeveel waterdamp er in de totale luchtkolom zit en het is al helemaal moeilijk te bepalen of dit meer is dan vroeger.

Toch zijn er knappe koppen die hebben berekend dat dit wel het geval is. Sinds 1970 zou in de totale luchtkolom 4% meer vocht in de atmosfeer zitten. Terugkoppeling door verhoging van de luchtvochtigheid met 4% zou betekenen dat de opwarming door waterdamp twee keer zo snel verloopt als alleen door CO₂. Door moderne meetapparatuur op nieuwe satellieten hoopt men meer te weten te komen over de rol van waterdamp als positieve terugkoppeling.

Bewolking

Bewolking ontstaat doordat warme vochtige lucht opstijgt naar koudere gebieden zodat de waterdamp condenseert tot kleine druppels. In een heldere nacht wordt het kouder dan in een bewolkte nacht doordat de bewolking als een deken werkt en de warmte uitstraling vermindert. Dus als er meer bewolking komt doordat de oceanen warmer zijn en er meer water verdampt zou de aarde nog warmer worden: positieve terugkoppeling. Maar zo eenvoudig is het niet.  Wolken kaatsen ook zonlicht terug zodat de aarde minder straling krijgt. Men schat dat de aarde zonder bewolking daardoor minstens 10 graden warmer zou zijn. Dit zou dus negatieve terugkoppeling geven als er door warmer oceaanwater meer bewolking zou komen. Het is echter niet zeker dat er ook meer bewolking komt. Daarvoor zouden langjarige metingen nodig zijn.

Moderne satellieten zouden dit kunnen meten, maar door de sterke variatie van dag tot dag en de beweging van het wolkendek over de aarde valt dit nog niet mee. Dan maakt het ook nog uit hoe dik het wolkendek is en op welke hoogte de bewolking zich bevindt. Tenslotte is er nog de invloed van ijskristallen in het wolkendek. Sommige wolken bevatten meer ijskristallen dan andere. en die kaatsen het zonlicht sterker terug dan waterdruppels

Boven Antarctica ligt vaak een wolkendek met veel ijskristallen. Zou de luchttemperatuur boven Antarctica 4 graden warmer worden dan verdwijnen die ijskristallen zodat de reflectie zonlicht met 10% afneemt en dan hebben we weer een positieve terugkoppeling. Men heeft berekend dat de opwarming van de aarde dan net zo veel zal toenemen als door alle CO₂ die mensen hebben toegevoegd.

Hoewel de invloed van deze effecten zeer groot kan zijn, kunnen positieve en negatieve terugkoppelingen elkaar meer of minder opheffen. De wetenschap is er nog niet uit wat het wordt.

Toename van orkanen door hogere watertemperatuur

Uit een recente studie naar 4000 tropische cyclonen in de afgelopen 39 jaar blijkt met 95% betrouwbaarheid dat in de gebieden met de hoogste klimaatopwarming meer tropische stormen uitgroeien tot orkanen en meer orkanen tot extreem sterke orkanen dan vroeger. Deze trend ligt erg voor de hand omdat orkanen alleen ontstaan als de temperatuur van het zeewater hoger is dan 25 graden. Exacte cijfers zijn niet te geven omdat orkanen van alle tijden zijn en de variatie in aantal, kracht en koers enorm groot is.

Er is geen reden om te verwachten dat meer en sterkere orkanen weer een positieve terugkoppeling veroorzaken op de opwarming. Eigenlijk zou er zelfs een negatieve terugkoppeling kunnen zijn omdat door condensatie van water op grote hoogte meer dan 99 % van de energie in een orkaan naar de ruimte wordt afgevoerd. Ondanks dat het per orkaan om een enorme hoeveelheid energie gaat, is de bijdrage aan de totale hoeveelheid energie die de aarde aan de ruimte afgeeft echter zeer gering.

Toename zuurstofloze (anaerobe) zones en verandering van de grote circulatie

Een uitgebreid onderzoek heeft aan het licht gebracht dat er steeds meer zones in de oceanen zijn waar het water weinig of geen zuurstof bevat, zogenaamde ‘dead zones’.

Zones met minder of geen zuurstof

Image: UN Intergovernmental Oceanographic Commission GO2NE working group

 

Deze toename wordt in verband gebracht met klimaatverandering. Het mechanisme lijkt simpel en we kennen het van de spronglaag in zoetwatermeren: doordat het water aan de oppervlakte sterker opwarmt dan in de diepte, wordt de soortelijke massa lager zodat het warme water op het koude water drijft en er een sterkere scheiding optreedt tussen de bovenlaag en het koude water eronder. Daardoor vin dt minder uitwisseling plaats tussen bovenlaag en diep water. Toch is het te simpel om de toename van het aantal dead zones alleen hieraan toe te schrijven.

Oceaan stromen – bron: sron

 

De menging van al het water in de oceanen op aarde is een ingewikkelde zaak. Volledige menging door de zogenaamde MOC (Meridional Overturning Circulation ook wel genoemd Global Conveyor Belt) neemt ongeveer duizend jaar in beslag en wordt niet alleen beïnvloed door temperatuurverschillen maar ook door verschillen in zoutconcentraties, ijsmassa’s, smeltwater, wind, hoeveelheid neerslag, de periodieke omkering van de verdeling tussen warm en koud (El Nino ), door de positie van de continenten en door de seizoenen. Er zijn veel natuurlijke fluctuaties op korte en lange termijn en bovendien worden niet alle wateren op aarde even goed met elkaar gemengd. Daardoor zijn er van nature grote gebieden waar de zuurstofconcentraties relatief laag zijn. Door de grote natuurlijke variatie en de vele factoren die van invloed zijn, kan met de beste klimaatmodellen van de wereld niet bewezen worden dat de huidige opwarming hier al invloed op heeft of zal krijgen.

Er bestaat wel het idee dat de MOC lang geleden (tijdens de laatste ijstijd, tussen 80.000 en 15.000 jaar geleden) tijdelijk is afgeremd of zelfs tot stilstand is gekomen, met dramatische gevolgen voor het klimaat. Maar vrijwel geen enkele wetenschapper denkt dat dit nu weer zal gebeuren.

Geen klimaatprobleem maar milieuprobleem

De zuurstofarme gebieden langs de kusten zijn bovendien niet het gevolg van temperatuurverandering,  veranderingen in de mondiale circulatie, maar door uitspoeling van meststoffen. Daardoor treedt er versterkte groei van algen op; als die biomassa afsterft en door bacteriën wordt afgebroken en naar de bodem zakt verbruikt dat alle zuurstof in de diepte. De uitspoeling van meststoffen kan overigens wel indirect door klimaatopwarming zijn beïnvloed. Dit is te verklaren door de buitengewone toename van enorme overstromingen in kustgebieden door orkanen en sterke neerslag. Veel bemeste landbouwgrond spoelt na hevige regenval uit via de rivieren. Ook de sterke ontbossing kan door een combinatie van hevige regenval na lange droogte via aardverschuivingen en modderlawines tot verhoogde afspoeling van meststoffen leiden.

Koraalsterfte

Verspreid over de regio’s waar het oceaanwater warm genoeg is  voor de vorming van koraalriffen ziet men delen van het koraal verbleken en tenslotte afsterven. Er zijn tal van oorzaken waardoor koraal kan doodgaan, maar heden ten dage is een verhoging van de temperatuur de belangrijkste oorzaak voor de grootschalige verbleking. Vooral een snelle stijging is fataal.

Door plotselinge omkering van de verdeling tussen warm en koud water ten gevolge van El Nino kan ook de temperatuur van het water in koraalgebieden plotseling meer dan 2 graden warmer zijn dan in de voorafgaande periode. Grootschalige koraalsterfte is het eerst waargenomen in 1998, daarna weer in 2010, 2014 en 2017 steeds in samenhang met de El Nino cyclus.

De gedachte ligt voor de hand dat klimaatverandering waarbij de oceanen 2 graden warmer worden zal leiden tot totale sterfte van alle koraalriffen. De gevolgen daarvan zouden een groot verlies van de biodiversiteit betekenen en ook rampzalig zijn voor de visserij en het duiktoerisme.

Omdat koralen via opname van opgelost CO₂ een skelet vormen van calciumcarbonaat en ongeveer de helft van alle kalk in de oceanen uit de kalkskeletten van koraal bestaat, zou men ook kunnen denken dat koralen een belangrijke rol spelen bij het opnemen van CO₂. Dit zou betekenen dat het afsterven van koralen een positieve terugkoppeling geeft naar het broeikaseffect. Nader inzicht in de chemie van de reactie laat echter zien dat dit niet het geval is. De rol van koralen op de totale CO₂ balans is verwaarloosbaar klein.

Verzuring van oceanen

Van alle CO₂ die door menselijk toedoen sinds de industriële revolutie is uitgestoten, is ongeveer 30 tot 40 % in de oceanen opgenomen. Het oplossen van CO₂ in zeewater heeft invloed op de chemische evenwichten, met als gevolg dat de zuurgraad toeneemt.

Als dit langzaam gebeurt kan het gecompenseerd worden door het oplossen van kalk uit de grote hoeveelheden die in de oceaanbodem en in kalkhoudende gesteenten aanwezig zijn. Ook wordt CO₂ voortdurend opgenomen door algen en wieren en vastgelegd in biomassa. Een deel van deze biomassa komt in een voedselketen, dus in dieren die na afsterving uiteindelijk naar de bodem zinken. In de diepe sedimenten wordt deze organische stof verder omgezet tot methaan of uiteindelijk gefossiliseerd tot aardolie. Al deze processen verlopen echter zeer langzaam.

Door de grote hoeveelheid van circa 525 miljard ton CO₂ die in de relatief korte tijd sinds de industriële revolutie is uitgestoten, zijn deze trage processen onvoldoende om de verzuring te compenseren. Sinds 1751 is de pH van het zeewater gedaald van 8,25 tot 8,07. Bij onverminderde voortzetting van de emissies zou die in 2050 zelfs tot 7,9 kunnen dalen. De snelheid van deze pH-daling is groter dan ooit in de laatste 300 miljoen jaar.

Verzuring heeft  meerdere zeer ernstige gevolgen. Allereerst kunnen zelfs bij een klein beetje verzuring koralen, kalkwieren en schaaldieren minder goed kalk afzetten voor hun in- en uitwendige kalkskeletten. Dit effect is in combinatie met de hogere temperatuur mede oorzaak van de enorme sterfte van koralen. Het leidt uiteindelijk ook tot het uitsterven van talloze andere soorten.

Bij een lagere pH (verzuring) en een hogere temperatuur van het zeewater zal er ook minder CO₂ vanuit de atmosfeer in het water kunnen oplossen, waardoor een groter deel in de atmosfeer zal blijven en het broeikaseffect sterker wordt. Dit laatste proces is op dit moment nog niet duidelijk waarneembaar.

Processen die nu al plaatsvinden rond de polen en een positieve terugkoppeling 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. Er spelen zich daar 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: ijs weerkaatst en zeewater absorbeert de straling .
2. Het donkere zeewater neemt veel warmte op; zonder zee-ijs wordt de energie veel minder 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. 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 poolgebied en dit vormt een positieve terugkoppeling van de opwarming.
4. De meanderende straalstromen veroorzaken 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 permafrost kan er methaan vrijkomen dat voordien in de veenachtige laag is gevormd en als gas of methaanijs in de bevroren bodem was opgeslagen.
9. Ook kunnen bacteriën de ontdooide laag organische materiaal versneld gaan verteren en daarbij CO₂en 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 geeft dit weer een vrij sterke positieve terugkoppeling van de opwarming.

Samenvatting

Warmer oceaanwater kan zeer grote en ernstige gevolgen hebben. Sterke positieve terugkoppeling kan plaats vinden via de toegenomen luchtvochtigheid van de atmosfeer. Dit mechanisme is zeer complex en vraagt nader onderzoek om te bepalen in hoeverre dit ook werkelijk aan de hand is.

Bron: Duurzaam nieuws , februari 2021 auteur: Han Blok (aangepast, aangevuld en ingekort) (https://www.duurzaamnieuws.nl/kantelpunten)

 

Extra:

Over kantelpunten en terugkoppeling

Het woord kantelpunt of “tipping point” suggereert dat er sprake is van een omslag, zoals in het beeld van de kano die  omslaat, of zoals bij het dalen van de koorts na een kritieke periode; de kanteling kan dus positief zijn of negatief. Bij een kantelpunt voor het klimaat bedoelen we echter geen omslag in een andere richting, maar een versterking of versnelling van de trend naar een veel hoger niveau, waardoor de opwarming autonoom verder gaat en de mensheid niet meer in staat is dit te stoppen.

Het algemene mechanisme is dat één of meer gevolgen van de opwarming de oorzaak van de opwarming opnieuw versterken. Dit heet positieve terugkoppeling (positive reinforcement). Als meerdere processen met een positieve terugkoppeling samenvallen of elkaar in een soort kettingreactie opvolgen, kan een klein beetje opwarming in relatief korte tijd tot een hele sterke opwarming leiden. (N.B. Negatieve terugkoppeling heb je als een proces juist door zijn eigen effect wordt geremd: voorbeeld: meer veldmuizen in een gebied maakt dat er meer roofdieren komen, wat maakt dat er minder veldmuizen overblijven, wat maakt dat er minder roofdieren overleven en de veldmuizen weer toenemen, enz. Veel biologische systemen blijven in evenwicht (homeostase) door negatieve terugkoppeling.)

Het idee dat het klimaat door terugkoppeling snel kan veranderen  komt niet uit de lucht vallen. Er zijn sterke aanwijzingen dat het klimaat op aarde al vaker over een kantelpunt is gegaan. Tussen 500 miljoen en 65 miljoen jaar geleden heeft dit al vijf keer geleid tot een dramatische sterfte van planten en dieren. Tijdens zo’n uitstervingsgolf (mass extinction) verdween 60 tot 90 % van alle soorten. De gebeurtenissen zijn terug te vinden in geologische afzettingen en de fossielen van planten en dieren die zich daarin bevinden.

Uitstervingsgolfen. Er sterven altijd soorten uit, maar er ontstaan ook steeds nieuwe. Maar door bijzondere omstandigheden kan het proces enorm versnellen

We hoeven echter niet eens zo heel erg ver terug te gaan in de tijd om te zien dat het klimaat kan kantelen. Sinds ongeveer 2 miljoen jaar bevindt zich ijs op de beide polen. Op Groenland en Antarctica is de ijskap enkele kilometers dik en bestaat uit laagjes bevroren sneeuw die gedurende vele jaren op elkaar zijn gestapeld. Die laagjes vormen als het ware een logboek van het klimaat. Dit logboek is met moderne technieken tot 800.000 jaar vrij nauwkeurig af te lezen en onthult tientallen kantelpunten waarbij de temperatuur op aarde binnen relatief korte tijd tot wel 10 graden steeg.

Kanteling van het klimaatsysteem is dus mogelijk, maar dat wil niet zeggen dat de oorzaak steeds dezelfde is. De tijdschaal waarop de kantelpunten in de ijstijden zich afspeelden is een paar duizend jaar en het is maar de vraag of zoiets ook binnen enkele tientallen jaren kan gebeuren. Als dat wel zo is, kunnen we met maatregelen om de opwarming tegen te gaan misschien niet snel genoeg zijn. Dat is angstwekkend, maar angst is een slechte raadgever. We doen er beter aan naar de wetenschap te luisteren.

De temperatuur op aarde gedurende de laatste half miljoen jaar: we zouden weer op een ijstijd af moeten stevenen.

Om het risico een kantelpunt binnenkort te bereiken – tot bijvoorbeeld 2050 – te kunnen inschatten, is veel kennis nodig omtrent de onderliggende processen. We moeten heel veel factoren eerst nog beter meten en zowel de afzonderlijke versterkende factoren als de combinatie of een eventuele kettingreactie beter begrijpen, zo mogelijk kwantificeren of in natuurkundige formules vatten en ze dan invoeren in de moderne computermodellen.  Daarmee kunnen we dan eventueel gaan voorspellen. Dat is nog niet zo eenvoudig en als we zouden wachten tot de wetenschap alles zeker weet, is het waarschijnlijk te laat om het tij nog te keren.