16-02-08

Koolstofkringloop: de filosofie van een verstoord evenwicht

De afgelopen week hebben we gekeken naar enkele van de belangrijkste motors van de natuurlijke koolstofkringloop, en daarmee van het klimaatsysteem. Vandaag maken we de balans op.

Het natuurlijke klimaatsysteem hangt van evenwichten aan elkaar. De balans voor zonne-energie, de verschillende koolstofkringlopen, die samen weer een grote koolstofkringloop vormen, de neerslagcyclus, de thermohaliene circulatie, waar ook de warme Golfstroom en de El Niño-zuidelijke oscillatie deel van uitmaken, de evenwichtsconcentraties voor de andere broeikasgassen en bijvoorbeeld de zuurgraad van de oceanen.

De verschillende kringlopen die de evenwichten in stand houden worden gestuurd door de invloed van de zon, de stand van de aarde, door plaattektoniek en door alle biologische processen op aarde. De astronomische en geologische factoren die het klimaat beïnvloeden, zoals de stand van de aarde ten opzichte van de zon, of de ligging van de continenten, zijn, op menselijke schaal, constant*.

Het betekent dat ook die andere, sterk variabele klimaatfactor, het leven, over de loop van vele duizenden jaren onderdeel is geworden van een evenwicht. Het klimaat en de biosfeer hangen zo nauw samen, dat ze voor alle continenten, voor alle breedtegraden, voor gebergten en voor laagland, specifieke kenmerken hebben gekregen.

In het eerste deel van deze serie bleek hoe die wisselwerking hele ecosystemen in stand kan houden: het tropisch regenwoud van de Amazone bestaat omdat de temperaturen er constant en warm zijn, en omdat het er altijd regent. De temperaturen van de Amazone zijn constant, en het regent er altijd, omdat de bossen er staan.

De wisselwerking tussen klimaat en biosfeer reguleert ook de precieze afmetingen van de natuurlijke CO2-opslag en de natuurlijke CO2-uitstoot. In droge gebieden is de biologische activiteit lager: planten en bomen groeien er niet of minder snel. Wanneer ze afsterven oxideert de dode biomassa gemakkelijk tot CO2.

In gebieden met zeer hoge neerslag, en in gebieden met permafrost, verdwijnt een groot deel van de biomassa in veenpakketten, zoals onder andere valt te lezen in het tweede, derde en vierde deel van deze serie, respectievelijk over de veenbossen op Borneo, de boreale bossen op de taiga en de veenmoerassen in de toendra.

De CO2-opslag van deze gebieden kan, op menselijke schaal, oneindig doorgaan, zolang de unieke klimaatomstandigheden niet verstoord worden. Dit betekent niet dat in de natuurlijke situatie netto meer koolstof wordt opgeslagen dan vrijkomt alleen maar CO2-opslag. Het proces van diepe koolstofopslag, door veenvorming in gebieden met voortzettende bodemdaling, waarbij veen bruinkool wordt en later steenkool (en aardolie en aardgas) wordt in evenwicht gehouden door een andere, zeer traag verlopende koolstofkringloop, de tectonische. Want zoals ook het land en de zeeën elkaar in evenwicht houden tijdens het verschuiven van de continentale platen, houden ook bodemdaling (en sedimentatie) en bodemopheffing (en erosie) elkaar in evenwicht, waarbij de koolstof uit de aardlagen oxideert en aan de atmosfeer wordt afgegeven.

En deze laatste kringloop, die traag, over de loop van miljoenen jaren plaatsvindt, verstoren wij. In eeuwen. Beter gezegd, in decennia. Grote koolstofreservoirs, die door geologische processen pas na miljoenen jaren weer aan het aardoppervlak zouden verschijnen graven wij op. We laten het niet rustig liggen, waarbij de CO2 beetje voor beetje door natuurlijke processen zou vormen, nee, we verbranden de steenkool, het aardgas, de aardolie, in elektriciteitscentrales, in zware industrie, in de motoren van onze auto's. Nog in hetzelfde jaar dat wij de koolstofverbindingen uit grote diepten omhoog halen, is de koolstof, atoom voor atoom als broeikasgas in de atmosfeer. Met Gigatonnen per jaar.

Maar de mens heeft een grotere invloed. De mens oefent langs twee wegen een grote verstorende invloed uit op de biosfeer, beide met eenzelfde effect, en dus elkaar versterkend:

1. directe verstoring: ontbossing en alle vormen van (grootschalig) grondgebruik die biologische processen verstoren.
2. indirecte verstoring: klimaatverandering.

Het versterkte broeikaseffect zorgt ervoor dat de (op korte tijdschalen) constante waarden van het klimaat, variabel worden. Ecosystemen en hun kenmerkende soorten, die over vele duizenden jaren rond de constanten van het klimaat zijn geëvolueerd, zijn opeens op de verkeerde plaats in de verkeerde tijd.

Kortom, de geoptimaliseerde situatie verdwijnt. Puur theoretisch kun je van de biosfeer dan maar een ding verwachten: deze zal minder goed functioneren. Beter gezegd: biologische activiteit zal netto afnemen. In klimaattermen: minder CO2-opslag.

Of zoals de Britse wetenschapsjournalist Fred Pearce het omschrijft: 'van sink tot source: de koolstofkringloop maakt rechtsomkeer.'

De afgelopen week hebben we gezien dat klimaatverandering ervoor zorgt dat grote ecosystemen, zoals de tropische regenwouden van de Amazone en op Borneo, de naaldwouden op de taiga en de veenmoerassen in de toendra, zelf ook CO2 en methaan gaan uitstoten. Kortom, dat een het broeikaseffect (na overschrijding van bepaalde drempelwaarden) zichzelf gaat versterken.

Het is het kenmerk van elk labiel evenwicht. Zodra onbalans is bereikt komt een systeem in beweging - waarbij de dynamiek zichzelf kan versnellen. Waar de nieuwe evenwichtssituatie zal liggen, en wanneer deze bereikt zal worden, is bij het uiterst complexe klimaatsysteem van de aarde onmogelijk te voorspellen. Het is echter bijna naïef om te denken dat een nieuw evenwicht vlak naast het vorige ligt, of dat het geleidelijk, of op korte tijdschaal bereikt zal worden.

De brandende regenwouden en de smeltende permafrost zijn de hotspots in onze koolstofkringloop. Het zijn plaatsen waar het aantoonbaar is, of minstens aanvoelbaar, dat omslagpunten realiteit zijn. Waar theorie abstractie verliest. Waar het begrijpelijk wordt dat de gevolgen van de verstoring exponentieel toenemen, naarmate wij langer en grootschaliger doorgaan met de verbranding van fossiele brandstoffen.

de koolstofkringloop op gematigde breedte
Maar het is niet alleen langs de frontlinie, de oprukkende nul-graden-isotherm, of de vlammenmuur van een bosbrand, dat de natuurlijke koolstofkringloop rechtsomkeer maakt.

In onze eigen achtertuin, op de gematigde breedte, gebeurt precies hetzelfde:

Philippe Ciais, een Franse ecoloog, heeft het effect op de koolstofkringloop van de in Europa steeds vaker voorkomende hittegolven onderzocht. Zijn conclusie: de zomerse hitte en droogte zorgt voor grootschalige verdorring van akkers, bossen en bodems. De CO2-uitstoot die dit veroorzaakt is veel groter, dan de extra CO2-opname ten gevolge van een langer groeiseizoen of het lang veronderstelde 'CO2-fertilisatie-effect'. In juli en augustus van 2003, maanden waarin de biologische groeiprocessen hun maximum horen te bereiken, waren natuur- en landbouwgebieden door heel Europa daarentegen veranderd in broeikasbronnen. Deze omkering van de koolstofkringloop bracht maar liefst 500 miljoen ton pure koolstof in de atmosfeer. De CO2-uitstoot van de natuur was daarmee twee keer zo groot als die veroorzaakt door alle verbranding van fossiele brandstoffen in heel Europa in dezelfde twee maanden.

De omkering van de koolstofkringloop op de gematigde breedte van het noordelijk halfrond wordt ook bevestigd door andere wetenschappers. Ning Zeng van de Universiteit van Maryland berekende dat door temperatuurstijging en zomerdroogte in het hele gebied van Zuid-Europa tot Afghanistan een koolstofput is uitgeschakeld die voorheen nog 700 miljoen ton koolstof per jaar uit de atmosfeer opnam. Guy Kirk, van de Universiteit van Cranfield, heeft berekend dat de Engelse biosfeer elk jaar 1 procent van z'n totale koolstofreserve aan de atmosfeer verliest. Deze uitstoot is hoger dan de beoogde jaarlijkse emissiereductie waartoe Groot-Brittanië zich heeft verplicht onder het Kyoto-protocol.

Peter Cox, een klimatoloog van het Hadley Centre, stelt dat de biosfeer de werkelijke klimaatverandering lang heeft verhuld doordat deze eerst veel CO2 heeft opgenomen, en pas later, toen de temperatuurstijging voelbaar ging worden, versneld CO2 in de atmosfeer ging brengen. Het grootschalige omslagpunt verwacht hij in 2040. De aardse biosfeer zal dan elk jaar 7 miljard ton CO2 in de atmosfeer brengen, denkt Cox.

In totaal zitten honderden miljarden ton koolstof op de wip van het labiele evenwicht van de koolstofkringloop van de biosfeer, zegt weer een andere wetenschapper, Pep Canadell van het Australische onderzoekscentrum CSIRO. Falende ecosystemen. Omslagpunten in de biosfeer. Het zijn factoren die tot nog toe niet of nauwelijks zijn meegewogen in de klimaatmodellen van het IPCC. Toch gaat het in potentie minimaal om een verdubbeling van het broeikaseffect dat in directe zin door de mens wordt veroorzaakt, als gevolg van de grootschalige verbranding van fossiele brandstoffen. Een verdubbeling van de temperatuurstijging betekent weer een verveelvoudiging van de schadelijke gevolgen van klimaatverandering,

En voor we het weten wordt ook bij de grote broer van de koolstofkringloop op het land, de koolstofkringloop van de oceanen, de drempelwaarde voor positieve terugkoppelingen overschreden. Voortzettende verzuring van de oceanen, als gevolg van de immer stijgende CO2-concentratie, zal op den duur de koolstofopname door fytoplankton verstoren. Wellicht lossen de alom aanwezige calciumcarbonaten in het zeeleven en de kalksteenpakketen die het over de loop van miljoenen jaren op in het zure water. En ja, daarbij komt CO2 vrij in de atmosfeer.

De neerwaartse spiraal lijkt eindeloos.


*) De laatste keer dat het rustige klimaat abrupt verstoord werd vanuit de ruimte is waarschijnlijk 65 miljoen jaar geleden. Zowel het toonaangevende leven op land, de dinosauriërs, als op zee, de ammonieten, overleefden de atmosferische aftermath van die inslag niet. De laatste keer dat grootschalig vulkanisme roet in het eten gooide is alweer 55 miljoen jaar geleden. Het was toen niet zozeer de CO2-uitstoot van de vulkanen zelf, maar het grootschalig vrijkomen van methaan uit gashydraten, in reactie op de hoge CO2-concentratie, dat zorgde voor een grootschalige klimaatverandering en een wereldwijde uitstervingsgolf.

Pas 100.000 jaar later herstelde het klimaat van die 'broeikasramp'. De 55 miljoen jaar die volgden brachten de goede klimatologische condities waarin de overlevende zoogdieren konden evolueren tot de grote soorten die nu de aarde bevolken, waardoor uiteindelijk ook de mens ten tonele verscheen.

Wetenschappers zijn ook nu bang dat opwarming van het zeewater zal zorgen voor het vrijkomen van gashydraten uit de oceaanbodem, en voor het vrijkomen van methaan uit smeltende permafrost. Dit kan het broeikaseffect nog dramatisch versterken.


De serie over de verstoorde koolstofkringloop, geschreven door Rolf Schuttenhelm, is geïnspireerd door 'De laatste generatie. Hoe de natuur wraak neemt voor het broeikaseffect', van de Britse wetenschapsjournalist Fred Pearce.

© www.hier.nu