In Nature stond onlangs een wat verontrustend commentaar (een pdf van het volledige stuk is hier te vinden) van Anders Levermann. Levermann is een ervaren klimaatonderzoeker, die verbonden is aan het gerenommeerde Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK). Hij meent dat klimaatwetenschappers een mogelijk belangrijk aspect van het veranderende klimaat grotendeels over het hoofd zien: de mogelijkheid dat het klimaatsysteem in een periode van (snelle) veranderingen bepaald gedrag vertoont dat het in meer stabiele perioden niet heeft. Dat zou vooral (maar ik denk niet alleen) het geval kunnen zijn wanneer we in de buurt van kantelpunten komen, zoals die van de ijskappen van Groenland of West-Antarctica of het Amazonewoud.
Laat ik proberen om het wat duidelijker uit te leggen. We zitten in een periode van snelle klimaatverandering, die zo’n beetje bij de industriële revolutie begon, en die door zal gaan totdat onze netto-uitstoot van broeikasgassen zal stoppen. Of eigenlijk: tot een tijd daarna, want het duurt nog wel wat eeuwen tot alles weer redelijk in evenwicht is. Impliciet nemen we vrijwel altijd aan dat het klimaat in die periode van verandering eigenschappen heeft die ergens tussen die van het begin- en het eindpunt in liggen. Maar in het complexe, niet-lineaire klimaatsysteem hoeft dat niet het geval te zijn. Er kunnen eigenschappen zijn die karakteristiek zijn voor een veranderend klimaat. Zoals gezegd, vooral wanneer er delen van het systeem gaan kantelen.
Levermann illustreert dat aan de hand van het voorbeeld van een porseleinkast, die aan een kant door een krik wordt opgetild. Ik denk dat dat voorbeeld nog wat beter werkt als er wat extra dramatiek aan wordt toegevoegd: de porseleinkast staat op de rand van een ravijn. Het begint met een kast die stabiel overeind staat. Begint te krik met optillen, dan zal er na een tijdje wat porselein gaan schuiven, en op een zeker moment komt het punt dat de kast omvalt en het ravijn in stort. En het eindigt, na het optrekken van de stofwolken, met een nieuwe stabiele situatie, van een heleboel scherven. Maar tussen de stabiele begin- en eindsituatie bevond het systeem van de porseleinkast zich in een toestand die helemaal niet op een van die twee leek: die van het langs de berghelling omlaag donderen.
Thermodynamica en dynamiek
Nu zal het verschil tussen een stabiel en een veranderend klimaat niet zo dramatisch zijn als in dit voorbeeld. (Of in elk geval voorlopig niet. In een hele, hele verre toekomst zal de aarde, door een combinatie van een steeds fellere zon en een “runaway” broeikaseffect naar een Venus-achtig klimaat gaan. Aan die eindfase gaat een overgangsperiode vooraf van miljoenen jaren, waarin de oceanen langzaamaan droogkoken.) Maar het principe is hetzelfde: verandering, en met name instabiliteit rond kantelpunten, levert een dynamiek op die er in een stabielere toestand niet is. Levermann noemt het volatiliteit. Het betekent niet dat er niets meer zeker is. De natuurwetten blijven gelden. Zoals de porseleinkast tussen het vallen door niet zomaar even tien meter op zal stijgen, zal het klimaat de principes van de thermodynamica blijven volgen. De gemiddelde wereldtemperatuur zal geen heel wilde sprongen maken, maar stijgen met alleen de natuurlijke schommelingen zoals die er altijd zijn geweest. En in het warmere klimaat wordt de hydrologische cyclus intensiever: er verdampt meer water, waardoor er ook meer neerslag valt. Maar vooral in de dynamiek van het systeem kunnen er dingen gebeuren die karakteristiek zijn voor de periode van verandering. En die dynamiek bepaalt wat we in het dagelijks spraakgebruik het weer noemen. Met name daar kan de volatiliteit optreden die Levermann noemt.
Waar dat toe zal leiden is moeilijk te voorspellen, dat is deel van het probleem. Maar het gaat om structurele veranderingen in weerpatronen. In de tropen zou dat bijvoorbeeld kunnen betekenen dat moessons in sommige gebieden steeds droger worden en in andere weer natter. Of dat de moesson vroeger komt, of juist later; dat die langer duurt, of juist korter. In ons klimaat zou de wind bijvoorbeeld minder vaak uit de overheersende westelijke of zuidwestelijke richting kunnen komen, waardoor we minder neerslag zouden krijgen, met steeds oplopende zomerse neerslagtekorten. Of het omgekeerde: vaak hoeveelheden neerslag (over langere periodes) waar onze waterhuishouding niet op is ingericht. Langere periodes waarin hetzelfde weertype aanhoudt (persistentie) door veranderingen in de straalstroom zijn ook een mogelijk gevolg. En als de weerpatronen in een gebied veranderen kan dar te maken krijgen met andere extremen. Zo verschuift in de VS het typische patroon waarbij tornado’s ontstaan naar het oosten. Het valt allemaal onder het fenomeen dat global weirding wordt genoemd.
Dynamiek en onvoorspelbaarheid
Eigenlijk is het best logisch dat een snel opwarmend klimaat typische eigenschappen heeft, die niet voorkomen in een (bijna-)evenwichtstoestand. Het oceaanoppervlak warmt bijvoorbeeld trager op dan het land, waardoor temperatuurverschillen tussen land en oceaan veranderen. Die temperatuurverschillen beïnvloeden stromingspatronen in de atmosfeer en in de oceaan zelf en daarmee het weer, zeker in kustgebieden. Het oceaanoppervlak warmt dan weer sneller op dan het diepe water, met gevolgen voor de oceaancirculatie. In de poolgebieden komt daar nog het smeltwater van ijskappen bij, waardoor het zoutgehalte aan het oceaanoppervlak afneemt. Dat versterkt het effect van de hogere temperatuur: er zal minder water naar de diepte zakken. En er is de afname van het zee-ijsoppervlak, die invloed kan hebben op de straalstroom en daarmee op hoe weersystemen langs het aardoppervlak bewegen.
Het zijn allemaal aspecten die blijven veranderen zolang de opwarming doorgaat en die bovendien in elkaar kunnen grijpen voor wat betreft hun invloed op de dynamiek in de oceaan en de atmosfeer. Ofwel: op het weer. Bovenop al die onderlinge interacties zijn er dan nog invloeden van bijvoorbeeld hoogteverschillen in het landschap en grillige kustlijnen. Dat alles introduceert een zekere onvoorspelbaarheid, die nooit helemaal weg te nemen zal zijn. Komen daar onderdelen van het klimaatsysteem bij die gaan kantelen, dan komt daar nog een extra dosis onvoorspelbaarheid bovenop.
Levermann meent dat de meeste klimaatwetenschappers zich hier onvoldoende van bewust zijn. Ze bekijken het klimaat als iets dat, ook terwijl het opwarmt, altijd in een toestand van quasi-evenwicht bevindt. De realiteit zou anders kunnen zijn, zeker wanneer we in de buurt van kantelpunten komen. We zouden dan een periode van (minstens) meerdere decennia tegemoet kunnen gaan met meer instabiliteit in het klimaatsysteem, en daarmee meer volatiliteit en onvoorspelbaarheid van allerlei weersverschijnselen. En ja, onvoorspelbaarheid kan natuurlijk ook betekenen dat het allemaal best meevalt. Maar elke verandering zal aanpassing vereisen, omdat we onze maatschappij overal hebben ingericht op het klimaat dat we kennen. Rekening houden met meer onzekerheid vereist ook aanpassing. Het lijkt me daarom zeker de moeite waard om hier meer aandacht aan te besteden in het toekomstige klimaatonderzoek.
Twee parallele NASA-studies (een in Science, een in Journal of Geophysical Research) gaan terug naar de basis van klimaatwetenschap: