We zijn er: 2015. Wat 1984 was voor George Orwell toen hij in 1948 zijn beroemde boek schreef, dat was 9 juni 2015 voor de film ‘Back to the future’. Als je nu de datum ‘2100’ zou invullen in de tijdreizende auto van deze film, zou je met angst en beven kijken hoe het klimaat op aarde er dan uit ziet. Nieuwsberichten over extreme natuurverschijnselen zijn nu al aan de orde van de dag: afsmeltende ijskappen, verzurende zeeën, droogtes en overstromingen, orkanen en bosbranden. Hoe zou het er over een krappe eeuw uit zien, in ons veranderende klimaat?
Toch zijn niet al deze fenomenen direct aan klimaatverandering te koppelen. De moeilijkheid zit hem in het feit dat het weer van jaar op jaar enorm kan verschillen. Nu eens hebben we een natte, warme winter, dan weer een koude, droge. Klimaat is iets heel anders dan weer: het is het gemiddelde weertype van tientallen jaren op een bepaalde plek. Klimaat middelt deze extremen uit. Klimaatwetenschappers maken zich niet zo zeer zorgen over een warm jaar, maar meer over de constatering dat de afgelopen jaren de temperatuur vaak boven het gemiddelde van de afgelopen eeuw uitstijgt. Ook maken zij zich zorgen over de grote snelheid waarmee op dit moment de poolgletsjers smelten.
In Nederland wordt sinds ongeveer honderd jaar de temperatuur dagelijks op een aantal plaatsen gemeten. Naast temperatuur hebben we sinds de jaren zestig een continue meetreeks van de hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht. We zien in al deze klimaat- en weerdata verontrustende trends. De grote vraag is of deze trends onderdeel vormen van een cyclus die zich over honderden jaren voltrekt, of dat de veranderingen van de laatste jaren uniek zijn.
Rekenen met onzekerheden
Een belangrijke tak van de klimaatwetenschap houdt zich bezig met het berekenen van het mogelijke verdere verloop van de huidige klimaatverandering. Daarbij gaan de onderzoekers uit van enkele scenario’s voor de uitstoot van broeikasgassen (‘gaan we op dezelfde voet door, of gaan we de uitstoot afbouwen?’), prognoses van bevolkingsgroei (‘planten we ons in hetzelfde tempo voort, of neemt de groei af?’), en niet in de laatste plaats ook aannames over de gevoeligheid van het klimaat voor een verdere toename van broeikasgassen. Deze klimaatgevoeligheid wordt vaak uitgedrukt in de temperatuursstijging op aarde door een verdubbeling van de hoeveelheid CO2 in de lucht.
Je zou verwachten dat de klimaatgevoeligheid van de aarde een vaste constante is, en dat klimaatwetenschappers daar goed grip op zouden hebben. Niets is minder waar. Klimaatwetenschappers weten na lang onderzoek dat de klimaatgevoeligheid nu tussen de 1,5 en 4,5 graden per CO2-verdubbeling zit. De complexiteit van het klimaatsysteem zorgt ervoor dat de onzekerheid in dit getal erg groot is. Bij 1,5 graden klimaatgevoeligheid hebben we voorlopig nog niet veel te vrezen, maar bij 4,5 graden moeten we in West-Nederland in het jaar 2100 echt vrezen voor natte voeten.
De grote onzekerheid in voorspellingen van de toekomst zit hem dus in de beperkte hoeveelheid meetgegevens van het verleden, waardoor we niet goed weten hoe uniek de huidige trends zijn. Een bijkomstig probleem is dat we op basis van onze huidige kennis van het klimaatsysteem de klimaatgevoeligheid van de aarde niet goed kunnen vaststellen. Daarom zijn de berekeningen van de toekomstige klimaatverandering zo onzeker.
Leren van de geschiedenis
Een manier om deze berekeningen beter te maken is om terug te kijken in de aardse geschiedenis. De aarde heeft namelijk in het verleden wel vaker tijden gekend met veel CO2 in de lucht. Door deze periodes in het aardse verleden goed te bestuderen en te kijken hoe het klimaat, de ijskappen en de leefomgeving toen reageerden op zulke hoge concentraties broeikasgas, kunnen we het klimaatsysteem van nu beter begrijpen en betere voorspellingen doen voor de toekomst. Wat zou het dan ook geweldig zijn om met een teletijdmachine terug te kunnen naar het verleden om te kijken hoe de aarde toen heeft gereageerd op grote schommelingen in CO2.
Helaas kunnen we dat niet letterlijk, maar de paleoklimatologie komt wel dicht in de buurt van dit soort teleportatie. Binnen het klimaatonderzoek leveren paleoklimaatonderzoekers het inkijkje in het verleden dat we zo hard nodig hebben. Zij bestuderen de klimaatdynamiek van het verleden, met name van tijden waarvan geen directe meetgegevens zijn.
Voor paleoklimaatonderzoek zijn drie ingrediënten nodig: ten eerste een archief, vergelijkbaar met een geschiedenisboek. Het archief voor de paleoklimaatonderzoeker is de aarde zelf. Op aarde vindt op allerlei plekken opeenstapeling van informatie plaats: op de bodem van meren, zeeën en oceanen, en ook op ijskappen stapelen zand, klei en resten van leven zich op. Als bladzijden van een boek komt er elk jaar een laagje bij. In deze opeenstapeling zit een keur aan informatie over hoe het milieu is veranderd. Dit archief van afzettingen wordt verkregen door te monsteren. Er worden bijvoorbeeld boringen verricht waarbij een buis in de oceaan- of meermodder wordt gestoken. In zo’n boorkern zit een stukje van elke laag op volgorde: van onder naar boven van oud naar jong.
Voor het onderzoek naar het klimaat in het verre verleden is het oceaanboorprogramma Integrated Ocean Discovery Program en haar voorgangers erg belangrijk geweest. Hiermee zijn duizenden meters oceaanbodemmodder beschikbaar gekomen voor wetenschappelijk onderzoek naar het klimaat van het verleden.
Ten tweede moeten we weten in welke tijd dit archief is afgezet: bestrijkt de boorkern de laatste duizend jaar of de laatste miljoen jaar? Hiervoor worden allerlei methodes gebruikt om de boorkern te dateren. Eén methode is radiometrie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de halfwaardetijd van allerlei elementen. Wanneer je weet hoe snel een radioactief element vervalt, je weet hoeveel er bij aanvang in het monster gezeten moet hebben en hoeveel er tijdens de bemonstering nog over is, dan kun je ook de ouderdom benaderen. Er zijn nog veel meer methodes om de ouderdom te bepalen, waarmee paleoklimaatonderzoekers goed inzicht krijgen in het tijdsbereik van de boorkern.
Als laatste moet je natuurlijk aan de boorkern kunnen bepalen hoe het milieu is veranderd in de loop van de tijd. Hiervoor zijn allerlei methodes ontwikkeld om bijvoorbeeld de temperatuur, de hoeveelheid CO2 in de lucht, het zoutgehalte, of de voedselrijkdom te reconstrueren. Daarbij wordt gebruikt gemaakt van alle resten in de boorkern: van fossieltjes, zand en klei tot moleculen aan toe.
Veel van deze methodes hebben als basisprincipe dat natuurkundige wetten die in onze tijd zijn opgesteld (de Wetten van Newton bijvoorbeeld) ook in het geologische verleden golden. Het heden is de sleutel tot het verleden. Zo wordt bijvoorbeeld gekeken naar microfossielen in het archief die specifiek warmteminnend zijn, of soorten die we vandaag de dag kennen van de koude poolgebieden. Sommige microfossielsoorten komen alleen voor bij zoetwaterinvloed dicht bij de kust, bijvoorbeeld bij een riviermonding. Ook kunnen stuifmeelkorrels bijvoorbeeld iets zeggen over de vegetatie langs de kustlijn.
Dit vergt veel microscoopwerk. Je maakt een microscopenpreparaat van de oceaanbodemmodder en kijkt wat voor fossieltjes erin zitten. Naast de fossielen zelf zitten er in een boorkern ook veel moleculaire resten van leven: fossiele moleculen. Sommige soorten organismen maken heel specifieke moleculen aan. Als je deze moleculen vindt, weet je dus zeker dat die groep organismen daar leefde. Zo is er bijvoorbeeld een groep eencelligen die voorkomt in sterk zuurstofloos water. Deze organismen maken een heel apart soort celmembranen. Vind je die celmembranen in je boorkern, dan weet je zeker dat het water zuurstofloos was. Hartstikke handig!
Op een bepaalde manier wordt een boorkern een soort crime scene: er is in de oeroude zee iets gebeurd, bijvoorbeeld het werd zuurstofloos, maar de enige informatie die beschikbaar is, is het archief van neergeslagen bodemdeeltjes. Door de fossiele moleculen te bekijken kunnen we, zonder dat we echt een teletijdmachine hebben, toch bewijzen dat ooit de oceaan zuurstofloos is geworden!
Een beeld van het verleden op basis van de koolstofkringloop
Door het paleoklimaatonderzoek is er veel bekend geworden over het klimaat van het verleden, over ijskappen, temperatuur en CO2. Uit boringen in de ijskappen weten we bijvoorbeeld dat de huidige CO2-concentratie uniek is voor de afgelopen 850 duizend jaar! Om een wereld te bestuderen met een CO2-concentratie die net zo hoog is als die van nu, en zeker zoals die wordt voorspeld voor de toekomst, moeten we verder terug in de tijd. De afgelopen jaren is veel onderzoek gedaan naar de klimaatsextremen van de afgelopen 100 miljoen jaar.
Zo is door paleoklimaatonderzoek ontdekt dat gedurende het dinosaurustijdperk, er periodes waren van extreme warmte en zuurstofloze condities in grote delen van de oceaan. Ook later, toen de dinosaurussen al enkele miljoenen jaren waren uitgestorven, vonden periodes van extreme hitte plaats, met tropische bossen op Antarctica en rond de Noordpool, compleet ijsvrije condities en extreme hitte rond de evenaar. Niet verrassend was de concentratie broeikasgas in die periodes ook heel hoog.
Om te snappen hoe die warme broeikaswereld in het verleden is ontstaan, moeten we begrijpen hoe de koolstofkringloop in elkaar zit. Koolstof is het basiselement van leven en vormt ook een van de twee basiselementen van het broeikasgas CO2. Alle plekken waarin koolstof voorkomt noemen we reservoirs. De gesteentes samen zijn een reservoir, maar ook de oceanen, het landleven, de bodems en de lucht.
Neem bijvoorbeeld het reservoir ‘landleven’. Als bijvoorbeeld planten groeien, nemen ze koolstof op uit het reservoir ‘atmosfeer’. Maar in de tijd dat er één plant groeit tot boom, gaat er ook één boom dood: hierbij komt de opgeslagen koolstof weer vrij. Zo vindt er dus tussen de reservoirs landleven, bodem, oceaan en atmosfeer voortdurend uitwisseling van koolstof plaats. Netto verandert er met die reservoirs niet zoveel: alles verkeert in een nauw evenwicht.
Op de langere termijn kunnen zich echter belangrijke verschuivingen voltrekken in dit evenwicht. Een van de meest sprekende voorbeelden is de uitstoot door vulkanen. Koolstof dat al lange tijd was opgeslagen in sedimenten komt via vulkanisme weer in het systeem. Zou er geen opname van koolstof op aarde zijn, dan zou door vulkanisme de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer langzaam maar zeker stijgen. Gelukkig heeft de aarde een eigen opnamesysteem voor de lange termijn ontwikkeld.
Bij de verwering van silicaatgesteente wordt namelijk CO2 uit de lucht opgenomen. De producten van dit verweringsproces lossen op in rivierwater en stromen naar zee, waar organismen deze moleculen opnemen en in hun skeletjes inbouwen. Deze organismen gaan dood, en hun skeletjes komen in de oceaanbodemmodder terecht. Door voortdurende bewegingen van de aardkorst komt deze oceaanbodemmodder na lange tijd weer terug in diepe lagen, waarna na lange tijd via vulkanisme deze CO2 weer in de atmosfeer terecht komt. Opnieuw een evenwicht dus, al bestrijkt deze cyclus lange tijdschalen, terwijl de interactie tussen bijvoorbeeld planten en de atmosfeer heel snel verloopt.
Terug naar de oude broeikaswereld, want hoe kwam het nou dat in die tijdsperiodes in het verre verleden zo veel CO2 in de atmosfeer zat? Dat kwam doordat er lange tijd geen balans was tussen de hoeveelheid vulkanen die CO2 uitstootten en de hoeveelheid silicaatgesteente die verweerd werd. Er waren dus relatief veel meer vulkanen die CO2 uitbraakten, dan dat er gesteente verweerde waarbij CO2 werd opgenomen. De vorming van vele gebergtes zorgde vervolgens voor een langzame en stapsgewijze opslag van alle vulkanische CO2, en daarmee een afkoeling op aarde.
Toen de daling van CO2 een kritische grens passeerde, was het op Antarctica ineens koud genoeg voor de vorming van een grote ijskap. Deze ijskap was in het begin heel gevoelig voor klimaatverandering, en werd pas later stabieler. De laatste jaren wordt ook veel onderzoek gedaan naar de gevoeligheid van de ijskap voor klimaatverandering, vooral sinds de alarmerende berichten over versnelde afsmelt van ijs op Groenland en West-Antarctica. Uit deze nieuwe studies blijkt dat tijdens periodes van hoge CO2-concentraties de ijskappen veel makkelijker konden afsmelten dan eerder gedacht. Dit onderzoek laat zien dat ijskappen in de toekomst waarschijnlijk ook veel sneller gaan smelten dan eerder aangenomen.
Vooral de afsmelt van Oost-Antarctica is spannend. Tot voor kort werd dit deel van de ijskap als stabiel gezien, en dus relatief ongevoelig voor klimaatverandering. Bovendien is dit ook nog eens verreweg de grootste ijskap op aarde. Wanneer deze ijsmassa afsmelt zal de zeespiegel gemiddeld 55 meter stijgen. Dat betekent dat de Veluwe een kleine archipel van eilandjes in de Noordzee zou worden. Daarnaast is er veel bekend geworden over wat er gebeurt met al dat CO2 in de lucht, en hoe lang het duurt voordat die CO2 weer op natuurlijke wijze is opgeruimd. Het lijkt erop dat we nog wel 100.000 jaar ‘plezier’ hebben van onze extra broeikasgassen in de lucht: zo lang duurt het voordat het uitgestoten CO2 weer is vastgelegd in sedimenten.
Nu we het geschiedenisboek van de aarde invullen komen we er ook achter dat er nog veel blanco pagina’s zijn. Toch is er al veel geleerd over hoe de aarde werkt. Een van de hamvragen is: wanneer gaan die ijskappen nou smelten? Het paleoklimaatonderzoek heeft ons geleerd dat de klimaatgevoeligheid van de aarde heel erg afhankelijk kan zijn van kleine factoren. Er wordt met man en macht gewerkt om de gevoeligheid van de ijskappen voor klimaatverandering en de gevoeligheid van het klimaat voor CO2-verandering in het verre, diepe verleden goed te begrijpen en met die kennis wellicht ook het klimaat van de toekomst te voorspellen.