Negatieve feedback

Op allerlei manieren wordt de opwarming van het klimaat versterkt door terugskoppelingsmechanismen.¹ Er zijn zeer veel voorbeelden van te geven. ^{1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6} Maar behalve positieve feedbacks zijn er ook negatieve feedbackfactoren actief, wat voor een stabiel klimaat juist positief (gunstig) is. Welke vormen van negatieve terugkoppeling zijn er? En wat is sterker, de negatieve of de positieve feedbacks? Een bijzondere combinatie ontstaat als positieve en negatieve feedbacks samenwerken, als het ware in symbiose. Het systeem kan gaan trillen en, als de trilling te sterk wordt, zelfs instorten.

Stralingslichaam
De belangrijkste vorm van negatieve feedback in het klimaatsysteem is de verhoogde afgifte van warmte. Een warmere aarde straalt meer energie de ruimte in. Dit mechanisme is zo elementair, dat je er bijna nooit iets over leest. Maar als het niet zou bestaan, dan zou de aarde gloeiendheet worden. Stel dat iemand in een camping voor de ingang van zijn tent een pan water laat opwarmen op een butagasvlam. Als je met koud water begint, dan zal de gasvlam het water langzaam opwarmen. Maar als er veel wind staat, dan is de gasvlam misschien niet sterk genoeg om het water aan de kook te brengen. Er ontstaat na verloop van tijd een situatie waarin de pan en het water tezamen net zoveel warmte verliezen aan de omgeving als er door de gasvlam aan wordt toegevoegd. De temperatuur van het water blijft dan gelijk, bijvoorbeeld 75 °C. Langer wachten heeft geen zin. De negatieve feedback (het warmteverlies uit de pan) is in evenwicht met de primaire forcering (de gasvlam). Een lichaam, ook de aarde, verliest warmte uit zijn oppervlak evenredig met de temperatuur tot de vierde macht. Dus E = cT⁴. Hier is E de warmte, c een constante en T de temperatuur. Als de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak met 1 graad opwarmt van 14 °C tot 15°C (resp. 287K en 288K), dan zal de aardbodem 1,4% (288⁴/287⁴) meer infrarode warmte uitstralen. Een deel van deze warmte verdwijnt in de ruimte volgens het rechterdeel van dit complexe schema:

Uitgaangde van de door de aarde geabsorbeerde zonnestraling van 51% (zie schema) en een 1 graad hogere oppervlaktetemperatuur kom je uit op een extra warmteverlies van 1,4% × 51% × 342 W/m² = 2,44 W/m² aan het aardoppervlak. Als we de opwarming van de aarde de afgelopen eeuw stellen op 0,8 °C (NASA), dan levert dit een extra warmteverlies op van 1,95 W/m² aan de oppervlakte, en van 1,46 W/m² bij 0,6 °C opwarming. Een bedrag dat ongeveer zo groot is als de totale invloed van de antropogene broeikasgassen in de atmosfeer: 2,25 W/m² (Myrhe et al 1998). Dit laatste getal geldt (dacht ik) voor de bovenkant van de troposfeer, en die waarde is niet zomaar te vergelijken met de straling aan het aardoppervlak (die is iets kleiner). Feitelijk zal slechts een klein deel van de extra uitgestraalde warmte aan het aardoppervlak direct de ruimte bereiken (15 - 30%). De rest wordt opnieuw geabsorbeerd door de atmosfeer, zoals te zien is in het schema. Een deel daarvan ontsnapt via een omweg uit de atmosfeer. Een ander deel blijft in de atmosfeer.

Er bestaat nog een tweede vorm van negatieve feedback die de eerste versterkt. Klimaatmodellen voorspellen dat de hogere luchtlagen meer opwarmen dan de aardbodem. Hier wordt het energieverlies door grotere temperatuurverschillen dus nog groter. Dit verschijnsel heet lapse rate feedback.

Het bestaan van negatieve feedback betekent niet dat de klimaatopwarming en de verhoogde terugstraling elkaar opheffen. Want de feedback is een reactie op de primaire oorzaak: die moet dus eerst zijn werk kunnen doen. Het betekent wel dat er een natuurlijke rem zit op de opwarming van de aarde. Bij een bepaalde hoeveelheid extra broeikasgassen in de atmosfeer zal de temperatuur een nieuw evenwicht vinden, net als de waterpan op de camping. Daar gaat wel enige tijd overheen (enkele decennia). In theorie is het mogelijk dat een negatieve feedback sterker is dan zijn oorzaak. Je zou een fiets zo kunnen maken dat de remmen reageren op de druk die wordt uitgevoerd op de trappers. Dus hoe harder je trapt, hoe krachtiger de remmen werken. Het systeem kan zo in elkaar zitten dat de remmen boven een bepaalde waarde helemaal blokkeren. In dat geval komt de fiets tot stilstand.

Omdat de warmtestraling uit de aardbodem een krachtige vierdemachtsfunctie is van de temperatuur, zullen alle positieve feedbacks die minder snel toenemen, op den duur worden ingehaald. Zo'n zwakker positief feedbackmechanisme kan de aarde snel opwarmen maar, naarmate de temperatuur verder stijgt, zal het warmteverlies de overhand krijgen. De belangrijkste vraag is nu hoe hoog de nieuwe evenwichtstemperatuur wordt. Stel dat het evenwicht 4 °C hoger zou komen te liggen dan de hudige temperatuur. Dan ontstaat er een radicaal nieuw klimaat op aarde. IJs zal op de duur helemaal verdwijnen, de vegetatie en de samenstelling van de ocenanen zal veranderen. De verhoogde terugstraling in geval van een opwarmende aarde is dus niet a priori geruststellend. Alles hangt af van de evenwichtstemperatuur en dus van ontregelende krachten zoals broeikasgassen. Soms kunnen die krachten (klimaatforceringen) zo groot worden dat de aarde in een nieuwe energietoestand schiet, bijvoorbeeld wanneer de ijskappen volledig verdwijnen, zoals bij een Broeikas Aarde, of wanneer veel ijs de aarde bedekt, zoals bij een Sneeuwbal Aarde. Zulke toestanden hebben in het verre verleden daadwerkelijk bestaan.

Een mogelijk voorbeeld van zo'n sterke kracht is het vrijkomen van grote hoeveelheden van het broeikasgas methaan, aanwezig in permafrostgebieden en op de zeebodem. Hoewel het mechanisme zelf zeer krachtig is, is er mogelijk niet zo veel voor nodig om het op gang te brengen: een iets hogere temperatuur. Wetenschappers maken zich ernstige zorgen over de permafrostgronden die nu al beginnen te ontdooien. Een ander voorbeeld uit de geschiedenis van de aarde is het verschuiven van de aardschollen. Dit veroorzaakt zeer krachtig vulkanisme waardoor gigantische hoeveelheden broeikasgassen vrijkomen. De geoloog Phillip Allen denkt dat CO2 de aarde bevrijd heeft uit zijn bevroren toestand tijdens het Cryogenium (840 - 635 Ma). Organisch materiaal, gevoed door zuurstof, zou deze CO2 hebben geproduceerd in de oceanen, die net niet helemaal bevroren waren. Het is opmerkelijk dat bij grote klimaatgebeurtenissen uit het verleden van de aarde (en andere planeten) steeds weer een belangrijke rol voor broeikasgassen² is weggelegd. Ook al zijn de oplopende broeikasgassen misschien niet de primaire oorzaak van de verandering, ze reageren daar wel heftig op. Denk aan veranderingen door tectoniek, inslaande objecten uit de ruimte, vulkanisme, aardalbedo, zonne-activiteit, temperatuur en biosfeer. Wat een zeer grote hoeveelheid broeikasgassen met een planeet kan doen, blijkt wel uit de oppevlaktetemperatuur van Venus. Die bedraagt 460 °C (735K). Als de aarde en Venus geen atmosfeer hadden, dan zou je op grond van hun afstand tot de zon verwachten dat Venus een 18% hogere temperatuur zou hebben dan de aarde. Feitelijk ligt de temperatuur van Venus ruim 250% hoger. De atmosfeer van Venus bestaat voor meer dan 90% uit CO2 en voor het overige uit andere broeikasgassen. De permanente dikke wolken die 60% van het zonlicht terugkaatsen de ruimte in, kunnen niet voorkomen dat Venus toch erg heet is. De atmosfeer van Venus is erg dik en de luchtdruk is 92 keer zo hoog als op aarde. Ondanks de immense verschillen tussen de twee planeten, zou het toch best eens kunnen zijn dat Venus een mogelijke energietoestand van de aarde voorstelt: "Studies have suggested that several billion years ago Venus's atmosphere was much more like Earth's than it is now, and that there were probably substantial quantities of liquid water on the surface, but a runaway greenhouse effect was caused by the evaporation of that original water, which generated a critical level of greenhouse gases in its atmosphere" (wikipedia). Met een iets hogere zonnestraling kan de aarde eenzelfde lot als Venus ondergaan: "Venus may originally have had oceans if its initial water endowment was close to that of Earth. It lost them early in its history, however, because of rapid photodissociation of water vapor followed by escape of hydrogen to space. The critical solar flux above which water is rapidly lost could be as low as 1.1S0 [dus bij 10% meer zonnestraling -JV]. The surface temperature of a runaway greenhouse atmosphere containing a full ocean's worth of water would have been in excess of 1500°K—above the solidus for silicate rocks. The presence of such a steam atmosphere during accretion may have significantly influenced the early thermal evolution of both Earth and Venus."¹

Iriseffect
Volgens klimaatscepticus Richard Lindzen is er 'a terrifically important feedback' werkzaam in de atmosfeer. De feedback zorgt dat de temperatuurstijging wordt tegengewerkt door het gedrag van wolken. Het mechanisme werkt als volgt. Boven tropisch zeewater trekken de hoge cirruswolken die zich boven de cumuluswolken bevinden, zich samen als de temperatuur van het zeewater toeneemt. Door de samentrekking ontstaat meer open lucht die de stralingswarmte van de aarde laat ontsnappen de ruimte in. Deze reactie lijkt op het vernauwen van een oogpupil bij sterk licht. Vandaar de naam Iriseffect. De hypothese werd in een bepaald gebied in de buurt van Australië bevestigd door metingen met een Japanse weersatelliet (Lindzen et al. 2001, ref.). Echter, later onderzoek gebaseerd op metingen over een veel groter gebied van de tropen met behulp van de klimaatsatelliet CERES (Lin et al. 2001, ref.), wees juist op een klein tegengesteld effect, dus op positieve temperatuurfeedback. Of het Iriseffect bestaat, blijft dus nog even een open vraag.² Nog steeds is het gedrag van wolken een van de minst begrepen klimaatonderdelen. Misschien komt dat wel omdat het netto-effect van wolken ongeveer nul is? Het is in elk geval ontzettend moeilijk om nauwkeurige metingen 'boven water' te krijgen. De getallen van Lindzen en Lin verschillen aanzienlijk: "CERES measurements reveal that 155 Watts per square meter escaped the atmosphere over cloudy, moist regions, which is significantly more than the 138 Watts per square meter that Lindzen’s team assumed." Voorlopig heeft de Iris-hypothese nog te weinig steun van de feiten en collegaklimaatwetenschappers. Gezien de snelle opwarming van de laatste decennia zou je denken dat het Iriseffect, als het bestaat, niet bijzonder krachtig kan zijn, of het moet zijn dat er nóg krachtiger positieve feedbackfactoren tegenover staan, zoals de versterking van het CO2-effect door waterdamp.

Wolken?
Het is denkbaar dat met de toename van de atmosferische temperatuur er ook meer wolken ontstaan als gevolg van verdamping. Wolken weerkaatsen het zonlicht en zorgen op die manier voor negatieve feedback. 's Nachts geldt het omgekeerde: dan houden wolken de infrarode straling van de aarde tegen terwijl er anderzijds geen zonlicht is. Men denkt dat lage wolken eerder voor afkoeling zorgen, en hoge wolken juist voor extra opwarming. Het is niet duidelijk welk soort wolken de overhand krijgt als de temperatuur oploopt. "To further complicate matters, cloud properties may change with a changing climate, and human-made aerosols may confound the effect of greenhouse gas forcing on clouds. (...) Depending on whether and how cloud cover changes, the cloud feedback could almost halve or almost double the warming" (Feedback Mechanisms in Climate). Een interessante vraag is waarom het zo moeilijk is het warmte-effect van wolken te bestuderen. Je zou als leek toch denken dat wetenschappers met hun satellieten en andere hoogwaardige apparatuur toch een een beeld van het stralingseffect van wolken hebben. Maar het is niet zo. Als je sceptisch wilt zijn, dan kun je daaruit concluderen dat men dus ook niet kan weten hoeveel de aarde zal opwarmen. Deze conclusie is echter in overeenstemming met de IPCC-rapporten. Mede vanwege wolken is er een vrij grote mate van onzekerheid.

Aerosolen

Oceanen
Misschien worden de toch al warme tropische gebieden van de oceanen beschermd tegen extreme opwarming. 'Misschien', want er bestaat onzekerheid en debat hieromtrent: "An ocean 'thermostat' appears to be helping to regulate sea-surface temperatures in a biologically diverse region of the western Pacific."¹ Is de werking van deze 'lokale' thermostaat, die ervoor zorgt dat het water niet warmer zou kunnen worden dan 31 graden Celsius, ook globaal werkzaam? Als de thermostaat bijvoorbeeld werkt op verdamping, waardoor warmte wordt afgevoerd, dan zal een deel van die warmte naar elders worden getransporteerd, door wind en oceanische stromingen. Het nettotemperatuureffect blijft in dat geval neutraal. Een ander deel van de warmte kan misschien uit de dampkring ontsnappen en de aarde iets laten laten afkoelen. En ook als de warme plekken in de oceaan wolkvorming beďnvloeden, dan zou het effect een afkoelende werking kunnen hebben. Niets is echter zeker. Zoals zo vaak, geldt ook hier dat er 'meer onderzoek' nodig is.

Stofdeeltjes
Als er meer fossiele brandstoffen in de atmosfeer terechtkomen, warmt de aarde op. Maar er is ook een afkoelend effect dat veroorzaakt wordt door stofdeeltjes (aerosolen). De werking van stofdeeltjes is tweeledig. Ze kunnen het zonlicht weerkaatsen, hetgeen leidt tot afkoeling. Ze kunnen ook warmte absorberen. Het totale effect van (antropogene) aersolen op de globale temperatuur is onbekend.

Carboncyclus
Planten nemen CO2 op. Als er meer CO2 is, dan groeien planten en bomen sneller. Door dit proces neemt de groei van CO2 in de atmosfeer af. De biosfeer bevat dus een natuurlijke rem op de uit de hand lopende CO2-emissies. Behalve CO2 draagt ook de extra warmte zelf bij aan verhoogde plantengroei. Het conservatieve en klimaatsceptische Competitive Enterprise Institute (CEI), "a public interest group dedicated to free enterprise and limited government", bedacht een vrolijke leuze die ons in een klap van het klimaatprobleem afhelpt: "CO2: they call it pollution, we call it Life!"¹ Het broeikasgas wordt voorgesteld als een soort haargroeimiddel voor een gezonde, groene planeet. Hoewel eenzijdig, generaliserend en partijdig, is dit niet geheel en al onjuist. Planten nemen jaarlijks 227×10¹⁵ gram CO2 (227 Gton) op. En, er is nog een gegeven: planten doen het zelfs beter in vervuilde lucht waarin het zonlicht mooi egaal verspreid is. Dit zou er sinds 1960 zelfs toe hebben geleid dat er 10% meer CO2 is opgenomen in de bodem. Je kunt echter van alles te veel krijgen. Ook van CO2 en vervuilde lucht.

Er zijn nogal wat complicaties² en beperkende factoren. Een verhoogde CO2-opname door planten betekent niet zonder meer dat de temperatuurstijging wordt tegengewerkt. Het geldt voor het regenwoud in de tropen (Africa, Zuid-Amerika) en voor oud bos², maar het geldt niet zonder meer op hogere breedtegraad.^1,2,3 Ook is het mogelijk dat het regenwoud verdwijnt als het klimaat warmer en droger wordt. Anderzijds kan een warmer klimaat op hogere breedte voor nieuwe aanwas zorgen. Maar de tropische en subtropische gebieden, inclusief woestijnen, zullen mee opschuiven. Een gevaar voor de CO2-opnamecapaciteit van de bossen vormen droogte en de toename van bosbranden^2,3,4,5,6,7, waardoor CO2 die eerder was opgenomen, terugkeert naar de atmosfeer. Het aandeel van bosbranden op de uitstoot van CO2 werd recent geschat op maar liefst 50% van de fossiele brandstofemissies. Verder bestaat er nog een tegengesteld effect: in gebieden met bosbranden ontwikkelt zich soms een brandbestendig type vegetatie, waarna juist minder bosbranden ontstaan. Maar ook het omgekeerde komt voor: bomen die vlam vatten schakelen niet alleen zichzelf, maar ook de concurrentie uit. Het is een voordeel voor de soort dat ze met hun droge, uitvallende naalden vaker brand veroorzaken en zo savannegebied in stand houden waar anders dichtbegroeid bos zou ontstaan, waarin de vlamvattende boomsoort minder goed kan concurreren.

Dat de opname van CO2 voorlopig geen gelijke tred houdt met de emissies, blijkt wel uit de stijgende CO2-concentraties. Men vreest dat de opnamecapaciteit van carbon sinks afneemt. Dit zijn plekken in de oceaan of op het land waar atmosferisch CO2 verdwijnt. Als er minder carbon (CO2) uit de atmosfeer wordt opgenomen verdwijnt er dus een belangrijke klimaatbuffer. De oceanen vormen in eerste instantie een negatieve feedback voor de groei van CO2, doordat ze CO2 opnemen. Maar naarmate de temperatuur en de zuurgraad van het water stijgen, gaat dit absorptievermogen achteruit²: een vorm van positieve feedback binnen een natuurlijke vorm van negatieve feedback. Misschien dat het voorlopig meevalt met het afnemend CO2-absorptievermogen. Recent werd ontdekt dat "the balance between the airborne and the absorbed fraction of carbon dioxide has stayed approximately constant since 1850" (Knorr 2009)², maar daar staan andere berichten tegenover met deze langetermijnvooruitzichten. Het verhaal wordt nog complexer. Want warmer water laat ook meer micro-organismen groeien die juist CO2 opnemen, terwijl anderzijds de afvoer van CO2 vanuit de koudste delen van de oceaan naar diepere lagen, geblokkeerd kan raken als gevolg van toegenomen neerslag. Een bijzonder geval vormt de Noordelijke IJszee. Op de korte termijn wordt een toename in de CO2-opname verwacht (negatieve feedback dus). Op langere termijn een afname (positieve feedback). Alles hangt met alles samen: "The Arctic marine carbon cycle is very sensitive to climate change. The Arctic marine carbon cycle and exchange of carbon dioxide between the ocean and atmosphere is particularly sensitive to climate change. The uptake and fate of carbon dioxide is highly influenced by physical and biological processes themselves subject to climate change impacts, such as sea ice cover, seasonal phytoplankton growth, ocean circulation and acidification, temperature effects, and river inputs, making projections uncertain."

Complexe relaties gelden ook voor andere carbon sinks. Bossen kunnen door een temperatuurstijging van een negatieve feedbactor omslaan in een positieve. Dit geeft aan hoe gevoelig het systeem in elkaar zit. Een kleine verandering kan ertoe leiden dat een drempelwaarde wordt overschreden met onomkeerbare gevolgen als resultaat, zodat ook negatieve feedback niet leidt tot de weg terug. Er kan door droogte en een hogere temperatuur zomaar een boomziekte ontstaan. Of een schadelijke kever kan zich nestelen in een bosrijk gebied.

Soms ontdekt men onverwachte nieuwe vormen van negatieve feedback, zoals paddestoelen die minder CO2 produceren als het warmer en vochtiger wordt. Het globale effect is echter gering. Hetzelfde geldt voor de balancerende rol van mineralen en planten. En dan is er ook nog de methaan-connectie: planten consumeren CO2, maar produceren methaan, "which may reduce the carbon uptake effect by up to 4 per cent". Of wat te denken van het verrassend hoge absorptievermogen van sponzen? Het zal nog wel lang duren voordat de koolstofsinks nauwkeurig in kaart zijn gebracht.

Gaia
De aarde, gezien als een organisme dat zichzelf in stand houdt door middel van feedbackmechanismen, is de Gaia hypothese van James Lovelock. De aarde werkt als "een feedback die streeft naar een optimale fysische en chemische omstandigheden om het leven op de planeet in stand te houden". Deze zelfregulerende eigenschap impliceert een grote invloed van negatieve feedback, zoals in Daisyworld waar witte en zwarte madeliefjes de aardtemperatuur constant houden terwijl de zonne-activiteit oploopt. Dit kan doordat zwarte madeliefjes succesvoller zijn als de aarde afkoelt en witte madeliefjes juist talrijker worden als de aarde opwarmt. Zo regeleren witte en zware madeliefjes samen het albedo en de temperatuur op aarde. Het lijkt een vredelievend sprookje. Maar er zijn ook kwaadaardige elementen. Een verstoring van het aardsysteem zal inderdaad worden gecorrigeerd en ongedaan gemaakt. Maar men moet niet onderschatten hoeveel geweld daaraan te pas komt. "Gaia has a destructive side." Als de mens zou verdwijnen, haalt Gaia opgelucht adem. De aarde zal ons onverleven. Lovelock werd wereldberoemd met zijn Gaia-hypothese uit 1970. Geconfronteerd met de klimaatverandering, lijkt hij zijn gedachten te hebben aangescherpt. In The Revenge of Gaia (2006) en The Vanishing Face of Gaia (2009) voorspelt hij donkere onweerswolken: er staat ons tegen 2020 extreem weer te wachten. In 2040 zullen delen van Europa veranderd zijn in een woestijn. Londen zal overstromen. Rond het jaar 2100, als de temperatuur 8 °C is opgelopen en de Groenlandijskap is verdwenen, kan 80% van de wereldbevolking weggevaagd zijn. De manier waarop Gaia het evenwicht herstelt, ontziet de mens dus niet. Al onze ijdele pogingen om iets tegen de klimaatverandering te doen (windmolens, klimaatneutrale maatregelen, 'etisch consumeren'), zijn tot een zielig mislukken gedoemd. We zijn veertig jaar te laat begonnen en onze fraai verwoorde voorstellen om tot actie over te gaan zijn niet meer dan een zwakke poging om de dekstoelen van de Titanic iets anders te rangschikken. "Global warming has passed the tipping point, and catastrophe is unstoppable." Het negatieve feedbackmechanisme van de aarde is een paar maten te groot voor de mens. wij hebben een smallere temperatuurband nodig.

Of men het nu eens is met Lovelock of niet (hij gaat wel erg ver, sommigen vinden hem oudtestamentisch), interessant is de gedachte dat een sterke negatieve feedback niet betekent dat het klimaatprobleem zichzelf geruisloos oplost en daarna geleidelijk terugzakt in de oude stand. Sommige veranderingen zijn onherstelbaar. Klimatologen en klimaatsceptici hebben dikwijls gepoogd het bestaan van positieve resp. negatieve feedbacks aan te tonen om daarmee de ernst van de klimaatcrisis te benadrukken, resp. te laten zien dat het allemaal wel meevalt. Misschien hebben we geen positieve feedbacks nodig om toch in te zien dat een veranderend klimaat onvoorspelbare, en onomkeerbare gevolgen heeft. De geschiedenis van de aarde lijkt dan op een schaakpartij. Elke zet die gedaan wordt, heeft onherroepelijke gevolgen voor de toekomst. Er is geen weg terug en je mag je zetten niet terugnemen. Ook zonder extreme temperatuurverhoging kan het behoorlijk fout gaan met de broeikasgassen. Denk aan de verzuring van de oceanen of extreme lokale klimaatveranderingen, zoals een rivier die zich verlegt, de gevolgen van het bouwen van een stuwdam voor het omringend landschap of de verwoestijning van voorheen vruchtbaar land in China en Afrika. Paradoxaal genoeg kan een extreme opwarming het klimaat in Europa doen afkoelen. Dit dacht men enkele jaren geleden. Moedertje aarde reageert en herstelt zich op haar eigen wijze. Daar zit ook een portie zelfontregeling en onbalans bij. Gaia kan een veel grotere temperatuurvariatie aan dan wij die op aarde slechts een 'parasitair' bestaan leiden, zoals Lovelock het noemt. We kunnen beter op zoek gaan naar een symbiose.

Nog onheilspellender en wraakzuchtiger dan de wereld volgens Lovejoy zijn de ideeën en metaforen van Peter Ward. De paleontoloog bedacht een anti-Gaia. De naam van onze planeet moet zijn: Medea. Zij streeft niet naar zelfhandhaving maar naar haar eigen ondergang. De aarde, en eigenlijk het hele universum, staat vijandig tegenover hogere levensvormen. Medea strooit met gif. Voorbeelden zijn de 'methaanvergiftiging' van 3,5 miljard jaar geleden, de zuurstofcatastrofe 2,7 van miljard jaar geleden en de vijf massa-extincties gedurende de afgelopen 540 miljoen jaar. Gelukkig is de 'fase' waarmee Medea haar zelfmoordpogingen onderneemt, van onmenselijke proporties. Tussen de ene en de andere poging kunnen honderden miljoenen jaren liggen. Dus niet direct iets om je zorgen over te maken? Nee, tenzij we de aarde zelf aan de middelen helpen, zoals CO2. Dan kan het helemaal fout gaan. In die dagen zal de positieve feedback overheersen en de lucht zal stinken naar rotte eieren. Daar lusten zelfs de reptielen geen brood van.

Smeltwater et al.
IJs is een zeer sterke positieve feedbackfactor. Hoe meer ijs er op aarde ligt, hoe meer zonlicht de aarde weerkaatst en hoe kouder het dus wordt. Waardoor er meer ijs ontstaat, enz. En omgekeerd, hoe meer ijs er smelt, hoe meer warmte de aarde zal vasthouden, en hoe warmer het dus wordt. Zodat er ook meer ijs smelt, enz. Vanwege dit mechanisme mogen we van 'geluk' spreken dat de aarde zich steeds weer uit de ijstijden weet te ontworstelen, maar niet zo dat de ijskappen volledig smelten. Toch bestaat er rondom smeltwater ook een vorm van negatieve feedback. Als de poolkappen smelten, dan komt er veel smeltwater in de oceanen. Niet alleen zal het water plaatselijk afkoelen, ook het zoutgehalte gaat omlaag. Allerlei processen zijn met elkaar verbonden in een keten van oorzaken en gevolgen. Smeltwater bevat minder zout en is lichter dan zeewater. Het zinkt daarom niet. En daarom trekt het gebied met smeltwater het overig zeewater niet meer aan. Een gevolg is dat de oceanische stromingen die warmte in de richting van de poolkappen stuwen, vertragen of zelfs helemaal tot stilstand komen hoewel dit laatste, stilstand, een theoretische mogelijkheid lijkt te zijn. Deze vorm van negatieve feedback is plaatselijk. Het kan gebeuren dat de aarde gemiddeld warmer wordt (er moet wel smeltwater kunnen ontstaan), maar dat een gebied als Europa afkoelt doordat de Warme Golfstroom afremt. Een dergelijke blokkade heeft zich al eens voorgedaan tijdens de ('het'?) Jonge Dryas, 13.000 jaar geleden. In die periode maakte het klimaat een aantal abrupte veranderingen door. Er waren zowel negatieve feedbacks als positieve feedbacks aan het werk, waardoor een AAN/UIT-mechanisme tot stand kwam, zoals bij een knipperlicht. Zo'n mechanisme kun je ook in het dagelijks leven observeren. Neem een fiets met een slag in het achterwiel. Als je met losse handen fietst, gaat het frame trillen. De trilling wordt doorgegeven aan het stuur, die de schommelbeweging van de fiets fors versterkt, zij het met enige vertraging. De trilling in de hele fiets wordt daardoor steeds sterker, want de fiets schommelt nu niet alleen meer door de slag in het wiel, maar ook door de trillingen in het stuur die de koers steeds sterker zullen doen wijzigen. Een flinke slag in een wiel kan fataal zijn. Dan zal het systeem in een nieuwe 'klimaattoestand' springen: de reparatieafdeling en de fietser in het ziekenhuis. Om het dreigend gevaar te keren moet de fietser een einde maken aan trilingen door met zijn handen het stuur te dempen. Interessant is dat negatieve en positieve feedbacks in zo'n harmonische trilling getimed samenwerken. Ze hebben elkaar nodig. In theorie kan het zijn dat men een abrupte klimaatverandering maar beter niet kan tegenwerken, omdat er anders een net zo gevaarlijke, of zelfs een sterkere tegenbeweging ontstaat. Dit beeld van een klimaatsysteem als een knipperlicht is te vinden in een artikel over de abrupte klimaatveranderingen tijdens de Jonge Dryas²: "[T]he period towards the end of the ice age was engraved by extreme and short-lived variations, which finally terminated the ice age. (...) The Younger Dryas event, which began approximately 12,900 years ago, was a period of rapid cooling in the Northern Hemisphere, driven by large-scale reorganizations of patterns of atmospheric and oceanic circulation. (...) [T]he climate shifted repeatedly from cold and dry to wet and less cold, from decade to decade, before interglacial conditions were finally reached and the climate system became more stable. (...) [R]econstructed sea-surface temperature and salinity from the Nordic seas show corresponding alternations between an extensive sea-ice cover and melting due to the influx of warm, salty North Atlantic waters." Hoe het mechanisme precies in z'n werk gaat, weet men niet: "there is currently no consensus on the exact mechanisms of onset, stabilization, or termination of the Younger Dryas." Het proces wordt beschreven als een keten van positieve en negatieve feedbacks, een 'Climate Flickering': "[T]he influx of warm water enabled the westerly wind systems to drift northward, closer to their present-day positions. The winds thus brought relatively warm maritime air to Northern Europe, resulting in rising temperatures and melting of glaciers. However, the resulting input of fresh meltwater into the ocean caused the renewed formation of sea ice, which forced the westerly winds back to the south, cooling Northern Europe again. The research team concludes that rapid alternations between these two states immediately preceded the termination of the Younger Dryas and the permanent transition to an interglacial state." Het is een voor de hand liggende gedachte dat vergelijkbare AAN-UIT-bewegingen en trillingen ook bestaan met een grote periodiciteit van eeuwen, millennia en mischien nog langer, van de ijstijden zelfs, of ijstijdvakken die vele miljoenen jaren overbruggen.

Hier is nog een voorbeeld (toegevoegd). Het gaat om de rol van de Beringstraat. Als het klimaat kouder wordt, daalt de zeespiegel. Bij een voldoende lage waterstand ontstaat in de Beringstraat een landbrug tussen Alaska en Azië, met als gevolg dat de afvoer van relatief zoet smeltwater uit de Noordelijke IJszee naar de Grote Oceaan tot stilstand komt. Dit water staat via een kringloop (langs Zuid-Amerika of langs de route Australië-Afrika) in contact met de Atlantische Oceaan, waar nu, door gebrekkige aanvoer van fris water meer zout overblijft. Dit zoute, zwaardere water werkt in zijn weg naar Groenland als een pomp ('meridional overturning circulation') voor het op gang houden van het oceanisch warmtetransport vanuit de tropen. Nu die pomp harder draait, zal de aanvoer van Atlantische warmte op weg naar het noorden toenemen. Het gevolg is dat de ijskap op Groenland krimpt en dat de zeespiegel gaat stijgen (en hetzelfde zal ook gelden voor delen van Antarctica). De Beringstraat komt weer open te liggen en de zoetwateraanvoer komt weeer op gang. Het stroomcircuit is nu 'gesloten': er gaat weer zoet water de aarde rond. Onder bepaalde omstandigheden kan zo een knipperlichtwerking ontstaan. Het knipperlicht van de Beringstraat heeft een periode van (tien)duizenden jaren terwijl er temperatuurverschillen van slechts zo'n 1,5 °C mee gemoeid zijn. Het huidige klimaat (van de afgelopen tienduizend jaar) is daarvoor net iets te warm. De Beringstraat is de laatste tienduizend jaar open gebleven en het knipperlicht stond dus constant 'aan'. Maar het voorbeeld laat mooi zien hoe een niet al te groot temperatuurverschil op langere termijn een totaal nieuw wereldklimaat kan veroorzaken met zeespiegelveranderingen van zo'n 30 meter per periode. Dit zegt iets over de grote gevoeligheid van het klimaatsysteem. Met de huidige opwarming van Groenland zou de toename van veel zoet smeltwater op langere termijn een vergelijkbare afkoeling van het wereldklimaat kunnen brengen. Een vorm van negatieve feedback dus.

Je wilt mensen niet op de verkeerde ideeën brengen. Maar toch, als de Beringstraat zo'n belangrijke rol speelt in het wereldklimaat, dan hebben we daarmee een thermostaat in handen. De doorgang is niet zo diep en slechts vijftig kilometer breed. Het lijkt haalbaar om daar een dam neer te leggen om, net als in de Oosterschelde, het klimaat en het zeeniveau af te regelen. Het idee is niet nieuw. Ik las ergens dat een Russische wetenschapper dit al eens heeft voorgesteld. (Een vergelijkbaar idee was om de Middellandse Zee hebben af te dichten. Dit lijkt erg link.) Het zou me niet verbazen als zulke ideeën binnenkort opnieuw uit de kast worden gehaald. Je moet het idee wel goed laten doorrekenen, met modellen enzo. Het probleem is dat een dam in de Beringstraat het klimaat op Groenland alleen maar nog warmer maakt. We hebben juist een anti-dam nodig. Dit betekent dat we de Beringsstraat moeten uitdiepen of verbreden. Een nadeel is wel dat Noord-West Europa er fors door zal afkoelen. Wij Nederlanders vinden dat waarschijnlijk niet zo leuk. Maar we zijn wel weer goed in baggeren. Dus, wat weegt zwaarder?

Terug naar de feedbacks. De reactietijd en de kracht van de feedbacks bepalen hoe hevig de trillingen worden en of het systeem zal ontsporen. De positieve en negatieve feedbackprocessen moeten goed op elkaar inwerken. Met losse handen fietsen blijft riskant. De aarde doet niet anders. Zijn we voldoende afgedempt?

Noot