Koppelingen klimaat en koolstofcyclus

Het klimaat is een complex systeem met vele mee- en tegenkoppelingen. Over een langere tijdspanne bezien kan dit systeem zich in een aantal min of meer stabiele punten bevinden. De werking van de mee- en tegenkoppelingen bepaalt in hoge mate wat de condities zijn bij die stabiele punten.

In de langzame koolstofkringloop zit een terugkoppeling waarmee volgens geochemici de CO₂-concentratie wordt ingesteld. Volgens Archer (2007) werkt de silicate weathering thermostat als volgt:

1. de verwering van silicaatgesteente is temperatuursafhankelijk: als de temperatuur hoger wordt, verloopt de verweringsreactie met CO₂ sneller. Ook als de CO₂-concentratie hoger wordt verloopt de reactie sneller. Door de reactie verdwijnt CO₂ uit de atmosfeer.
   
2. vanuit het binnenste van de aarde wordt door vulkanische processen CO₂ geëemitteerd naar de atmosfeer. Dit is langzame vulkanische ontgassing.
   
3. als bovenstaande processen uit balans zijn, kan op een tijdschaal van honderdduizenden jaren alle CO₂ uit de atmosfeer verdwijnen. Echter dat gebeurt niet want er stelt zich een evenwicht in via de CO₂-concentratie in de atmosfeer en de gemiddelde temperatuur op aarde.

Deze geochemische thermostaat laat de CO₂-concentratie in de atmosfeer variëren op een tijdschaal van miljoenen jaren.

De geologische tijdschaal is veel langer dan de tijdschaal waarop de koppelingen met/in de snelle koolstofkringloop zich manifesteren. Een aantal daarvan zijn (o.a. Leggett (2005)):
• CO₂ in de oceanen: zoals hiervoor aangegeven is ongeveer 60% van de door mensen veroorzaakte onbalans in de snelle koolstofkringloop terecht gekomen in de oceanen en 40% in de atmosfeer. Doordat de verschillende lagen zeewater niet goed mengen, kunnen deze bovenste lagen verzadigd raken met CO₂: er is dan een evenwichtsconcentratie bereikt. Als door het versterkt broeikaseffect de temperatuur van het zeewater stijgt, kan het water minder CO₂ bevatten c.q. opnemen, waardoor de atmosferische CO₂-concentratie sneller zal toenemen, waardoor het broeikaseffect verder wordt versterkt enzovoorts. Een andere, mogelijk versterkende meekoppeling is dat de oceanen licht verzuren door de opname van CO₂, waardoor zeeleven kan uitsterven, waardoor de opname van CO₂ door algen in de zee vermindert.
• permafrost: in de toendra's op het Noordelijk Halfrond (Siberië, Canada, Alaska) is de bodem tot soms wel een diepte van 10 m permanent bevroren. 's Zomers ontdooit slechts de bovenste laag van deze permafrost. Door de opwarming van het Noordelijk halfrond kan de permafrost tot op grotere diepte permanent ontdooien. Daardoor zullen de grote hoeveelheden biomassa in deze permafrost gaan rotten, waardoor grote hoeveelheden methaan en CO₂ in de atmosfeer kunnen komen.
• ineenstorting van ecosystemen: vergeleken met geologische en evolutionaire tijdschalen gaat de opwarming snel. Dat brengt het gevaar met zich mee van ineenstorting van gehele ecosystemen als zij zich niet snel genoeg kunnen aanpassen. Dit risico wordt nog vergroot door het frequenter optreden van droogtes. Gehele bosgebieden zouden daardoor binnen korte tijd kunnen afsterven, wat weer leidt tot een grote CO₂-emissie naar de atmosfeer. Recent onderzoek heeft bijvoorbeeld laten zien dat regenval in het Amazonegebied terugloopt, waardoor het regenwoud verdroogt en het bos kan afsterven. Ook wordt de kans op grote bosbranden groter, want nu is het nog zo dat grote delen van het regenwoud zo vochtig zijn dat blikseminslag bijna nooit leidt tot brand. Als dit scenario zich zou afspelen zou een enorme hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer terecht komen.
• organisch materiaal in de bodem: wereldwijd bevindt zich veel biomassa in bodems. Door het leven aldaar zijn veel bodems netto opnemers van CO₂. Door opwarming, dan wel verandering van neerslagpatronen zou deze situatie kunnen veranderen.

De tijdschaal waarop deze effecten zich kunnen voordoen loopt van tientallen jaren tot duizend jaar.

Bronnen

Archer (2007), Archer, D. (2007). Global Warming - Understanding the Forecast, Blackwell Publishing Co.
Leggett (2005), Leggett, J. (2005). Half Gone. Oil, Gas, Hot Air and the Global Energy Crisis, Portobello Books.