Koppelingen in het klimaatsysteem

Zoals hiervoor al is aangegeven wordt het klimaat, de stabiliteit en de ontwikkeling daarvan in sterke mate bepaald door mee- en tegenkoppelingen in het systeem. Nog niet alle koppelingen zijn geïdentificeerd, terwijl bekende koppelingen niet noodzakelijkerwijs juist gemodelleerd hoeven te zijn. Daardoor zijn werkelijke variaties in het klimaat hoogstwaarschijnlijk groter dan de modellen voorspellen (Archer (2007)).

De belangrijkste thans bekende koppelingen in het klimaatsysteem zijn:
• waterdampkoppeling: water houdt van alle broeikasgassen in de atmosfeer de meeste straling tegen. Als om welke reden dan ook de temperatuur op aarde toeneemt dan verdampt er meer water naar de atmosfeer, waardoor deze meer straling tegenhoudt enzovoort. Zoals eerder besproken wordt bij de huidige concentratie waterdamp in de atmosfeer al meer dan 90% van de maximaal te absorberen straling ook geabsorbeerd. Tevens geldt dat bij elke temperatuur de atmosfeer maar een bepaalde, maximale hoeveelheid vocht kan bevatten. Wordt door toegenomen verdamping de relatieve luchtvochtigheid groter dan 100% (groter dan deze maximale hoeveelheid), dan zit er meer water in de atmosfeer dan deze bij de geldende temperatuur kan bevatten als damp en zal druppelvorming optreden. Er ontstaan wolken, en uiteindelijk gaat het regenen. In de aardse atmosfeer stabiliseert de hoeveelheid waterdamp zich hierdoor op enig moment bij een bepaalde gemiddelde temperatuur. Op de planeet Venus heeft deze koppeling wel geleid tot een runaway broeikaseffect. Dat komt doordat Venus veel dichter bij de zon staat, waardoor de beschreven koppeling niet in een stabiel punt terecht is gekomen. De zonne-instraling is op Venus bijna 2x zo groot als op aarde (2600 W/m²). Zonder atmosfeer zou de gemiddelde temperatuur 240 K bedragen, terwijl de gemeten temperatuur maar liefst 700 K is.
• ijs-albedo-koppeling: dit is een koppeling die zichzelf zowel richting afkoeling als opwarming kan versterken. Helaas geven alle meetreeksen en modelberekeningen aan dat het met name op het Noordelijk halfrond om een versterking richting opwarming gaat. Door de afname van de zeeijsbedekking neemt de albedo ter plaatse sterk af, wat weer tot gevolg heeft dat de zeewatertemperatuur ter plaatse en daarmee de gemiddelde temperatuur oploopt, waardoor meer ijs smelt enzovoort. Inmiddels wordt voor het Noordpoolgebied rekening gehouden met een temperatuurstijging die 2 tot 4 keer groter is dan het wereldwijde gemiddelde.
• wolken: deze koppeling is complex en nog niet goed begrepen. Wolken houden warmtestraling van het aardoppervlak tegen, maar stralen aan de bovenkant eveneens warmte uit (als zwarte lichamen). Wolken weerkaatsen eveneens inkomend zonlicht. Deze drie processen zijn allemaal afhankelijk van het type wolk, de dikte en de verticale positie van de wolk in de atmosfeer, waarmee modelleren en voorspellen erg lastig wordt doordat wolkvorming afhankelijk is van de hoeveelheid waterdamp, luchtstroming (drukverschillen in de atmosfeer) en het aantal condensatiekernen.
• oceaanstromingen: wereldwijd is er in de oceanen zogenaamde thermohaliene circulatie: zeewater dat stroomt door een combinatie van de zwaartekracht en dichtheidsverschillen. Opwarming van de aarde zou deze circulaties kunnen beïnvloeden, bijvoorbeeld de frequentie tussen het optreden van el Niño en la Niña in de Stille Oceaan. Ook zou de warme golfstroom in onze regio, onderdeel van de grote Noord-Atlantische circulatie kunnen afnemen of zelfs geheel tot stilstand kunnen komen, een gebeurtenis die zich in de geologische geschiedenis al meermalen heeft voorgedaan. Als dat gebeurt, zal de gemiddeld snellere opwarming in Noordwest-Europa omslaan in een daling van de temperatuur, want de warme golfstroom maakt dat het in Noordwest-Europa gemiddeld een aantal graden warmer is dan elders in de wereld op een vergelijkbare breedtegraad. De omslag zou in gang kunnen worden gezet door het sneller afsmelten van ijs op Groenland, waardoor het zoutgehalte en daarmee de dichtheid van het zeewater ter plaatse iets kan afnemen. Daarmee zou de drijvende kracht voor de circulatie wegvallen. Britse onderzoekers hebben in 2007 voor de kust van Afrika metingen verricht op basis waarvan zij concludeerden dat de warme golfstroom al met 50% afgenomen zou zijn. Vooralsnog is deze analyse niet verder bevestigd.
• koppeling met de hydrologische kringloop: als er netto energie accumuleert in het systeem aarde dan moet die energie ergens terecht komen. Onderzoekers hebben vastgesteld dat het grootste deel terecht komt in de oceanen, die daardoor opwarmen. Daarmee wordt de hydrologische kringloop (verdamping boven zee, regen boven land, afstroom terug naar zee) geïntensiveerd. Echter, niet alleen de intensiteit maar ook de patronen in deze kringloop kunnen veranderen. Daardoor kan op sommige plaatsen droogte en verwoestijning ontstaan, andere plaatsen kunnen juist getroffen worden door overvloedige neerslag.
• verwoestijning-albedo-koppeling: als neerslagpatronen veranderen en de temperatuur toeneemt, zal wereldwijd woestijnvorming toenemen. De albedo van land dat verandert van bos in woestijn neemt toe. Daarnaast leidt verwoestijning in combinatie met wind tot meer stof in de atmosfeer, dat eveneens zonlicht reflecteert. Op lange termijn is dit dus een stabiliserende tegenkoppeling.
• biosfeer-koppeling: klimaatverandering heeft veel effecten op de biosfeer. Door de verhoogde CO₂-concentratie zullen planten gemiddeld iets harder groeien, waardoor zij meer koolstof vastleggen als biomassa. Echter dit effect wordt door de voortzettende ontbossing in Zuid-Amerika, Azië en Afrika (in het afgelopen decennium ongeveer 13 miljoen hectare per jaar, of 130.000 km², bijna 5x de oppervlakte van Nederland) meer dan teniet gedaan. Alleen in Noordwest-Europa neemt het areaal bos en de bosopstand al langere tijd elk jaar toe. Ook door verhoogde temperatuur zullen planten harder groeien, maar in combinatie met de koppeling met de hydrologische kringloop zijn er ook gebieden waar plantengroei onmogelijk wordt vanwege droogte. In veel gebieden zijn de veranderingen niet extreem, maar wel groot. Daardoor zullen ecosystemen zich moeten aanpassen. Het klimaat in Nederland werd bijvoorbeeld de afgelopen tien jaar gekenmerkt door gemiddelde temperaturen die vergelijkbaar zijn met de langjarige gemiddelden voor Midden-Frankrijk, en door een veranderend neerslagpatroon: minder dagen dat het miezert, meer relatief intensieve buien waaruit in korte tijd zeer veel neerslag kan vallen.

Naast deze koppelingen bestaan er een aantal koppelingen met de langzame en de snelle koolstofkringloop. De langzame koolstofkringloop is een geochemische cyclus, waarin rotsen opgebouwd worden en weer verweren. Ook spelen levende organismen hierin een rol, zoals schelpdieren en andere microfauna die een kalkskelet opbouwen. De snelle koolstofkringloop betreft koolstof zoals die circuleert ten gevolge van groei, leven, afsterven én fossiliseren van levende organismen.

Bronnen

Archer (2007), Archer, D. (2007). Global Warming - Understanding the Forecast, Blackwell Publishing Co.