Drie nieuwe kantelelementen in het aardingssysteem

De grootste stofbron van onze planeet, oceanische materiaalcycli en methaanhydraten als potentiële kiepelementen

Tipping Element Bodélé Valley: Deze enorme stofstorm is opgenomen in verschillende overvluchten van het Nasa satelliet Aqua-gebied. © Jacques Descloitres / MODIS / NASA / GSFC
voorlezen

In een speciale uitgave van het wetenschappelijke tijdschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) hebben onderzoekers nieuwe bevindingen gepresenteerd over kantelelementen in het klimaatsysteem. In detail analyseren ze acht belangrijke elementen van het aardsysteem. Drie daarvan zijn nieuw: de grootste stofbron op aarde, cycli van oceanische materie en methaanhydraten.

Kipelementen zijn geïdentificeerd als componenten van het aardingssysteem, die al fundamenteel kunnen worden gewijzigd door kleine verstoringen. Het kantelen van een of meer van deze elementen, met name naarmate het broeikaseffect vordert, kan de opmerkelijk stabiele omgevingscondities van de post-ijstijd onomkeerbaar beëindigen.

"Het is de hoofdvraag van aardsysteem en duurzaamheidsonderzoek of de opwarming van de aarde kan leiden tot bijzondere veranderingen van kritieke componenten van de planetaire machines", legt Hans Joachim Schellnhuber van het Potsdam Institute for Climate Impact Research (PIK) uit. Enkelvoud - in tegenstelling tot continue lineaire en niet-lineaire veranderingen - zou de omgevingscondities waaronder menselijke beschavingen in millennia ontstonden en evolueerden drastisch veranderen.

Klimaatsysteem nog steeds in de Holocene-modus

"Op dit moment werkt het klimaatsysteem nog steeds in de Holocene-modus, maar het hier gepresenteerde onderzoek toont aan dat een toename van de wereldwijde gemiddelde temperatuur van meer dan twee graden Celsius het systeem in het bereik van enkelvoudige veranderingen kan duwen en dus kan worden voorkomen, " vervolgde Schellnhuber.

De PIK-onderzoeker introduceerde het concept van kantelelementen ongeveer tien jaar geleden in het wetenschappelijk discours. Het beschrijft hoe menselijke activiteiten componenten van het klimaatsysteem boven kritieke grenzen kunnen belasten, zodat belangrijke processen in de totale structuur "omvallen" en vanaf daar fundamenteel verschillend zijn. tonen

Vijf oude en drie nieuwe kantelelementen in het vizier

In een artikel gepubliceerd in 2008, presenteerden Tim Lenton van de UK University of East Anglia en Schellnhuber een formele definitie en een lijst van de negen tipping-elementen van bijzonder politiek belang. Vijf van deze elementen worden in deze speciale editie uitgebreid besproken: het klimaatfenomeen El Ni o / Southern Oscillation (ENSO), het Arctische zee-ijs en de grote poolijskappen, het Amazone-regenwoud, de moessonsystemen en de circulatie van oceaanstromingen in de Atlantische Oceaan.

Oceaanstromingen in de Atlantische Oceaan

Matthias Hofmann en Stefan Rahmstorf van PIK bespreken het laatste onderwerp van de stabiliteit van de zogenaamde Thermohaline Atlantic Circulation. De onderzoekers presenteren nieuwe modelsimulaties van circulatie onder toenemende kwel in de Noord-Atlantische Oceaan. Deze zijn in tegenspraak met de hypothese dat de gesimuleerde verzwakking van de circulatie en de mogelijkheid van een abrupte verandering als gevolg van modelfouten kunnen optreden. Integendeel, de projecties van verder ontwikkelde modellen laten zien dat de huidige circulatie gevoeliger is dan eerder werd aangenomen.

Conceptueel moessonmodel

Een onderzoeksgroep onder leiding van Anders Levermann van PIK toont aan dat elk moessonsysteem wordt gekenmerkt door de mogelijkheid van een abrupte beëindiging. Dit komt door de zogenaamde feedback van vochtafvoer, de kern van moessonsystemen.

De onderzoekers hebben dit zelfversterkende effect, dat de luchtcirculatie tussen land en zee kan ondersteunen, onderbroken in een conceptueel moessonmodel. De regelmaat van moessonafdalingen hangt af van de voedselvoorziening van enkele honderden miljoenen mensen in de moessonregio's.

Methaan hydrateert als een "langzaam kantelend element"

David Archer van de Universiteit van Chicago en zijn co-auteurs geven argumenten om methaanhydraten in sedimenten op de oceaanbodem te beschouwen als een "langzaam kiepelement" in het klimaatsysteem van de aarde. In de loop van millennia kan bij een wereldwijde temperatuurstijging van ongeveer drie graden Celsius meer dan de helft van het opgeslagen methaan vrijkomen, wat naar schatting 940 miljard ton koolstof is.

Dit kan op zijn beurt de globale gemiddelde temperatuur met maximaal 0, 5 graden Celsius verhogen. De wetenschappers schrijven deze temperatuurstijging toe aan het effect van het broeikasgas methaan. Het zou echter vele millennia duren, omdat methaan in ongeveer een decennium tot kooldioxide zal worden geoxideerd, wat het klimaat voor millennia zal beïnvloeden.

Omslagpunten in het mariene milieu?

Ulf Riebesell en zijn collega's van het Leibniz Institute of Marine Sciences (IFM-GEOMAR) beschrijven de oceanen als onderdeel van het klimaatsysteem, dat momenteel aanzienlijke veranderingen ondergaat. De oceanen worden warm en de omgeving van het water wordt zuurder of minder basisch door de absorptie van kooldioxide. Toenemende uitstoot van broeikasgassen kan de cycli van koolstof en voedingsstoffen in de waterlagen in de buurt van het oppervlak veranderen en hele mariene ecosystemen beschadigen.

Volgens de huidige stand van de kennis kan de vraag nog niet worden beantwoord of er omslagpunten zijn in het mariene milieu, concluderen de wetenschappers. Sommige van de geprojecteerde biogeochemische veranderingen in de oceanen kunnen echter ernstige gevolgen hebben.

Kantelgedrag van ENSO-verschijnselen niet detecteerbaar

Mojib Latif en Noel Keenlyside, ook van IFM-GEOMAR, vatten de kennis samen over de complexe mechanismen van het klimaatfenomeen El Ni o / Southern Oscillation (ENSO). Het kan de temperatuur en neerslag in de tropische Stille Oceaan van jaar tot jaar aanzienlijk veranderen en heeft veel effecten op het klimaatsysteem van de aarde. De modellen van vandaag konden het potentiële kantelgedrag van het ENSO-fenomeen echter niet vastleggen, concluderen de onderzoekers.

Gezien de mogelijke ernstige implicaties voor biologische, chemische en sociaal-economische systemen moet de vraag verder worden onderzocht of opwarming van de aarde de dynamiek van fenomenen fundamenteel zou kunnen veranderen.

Bodélé wastafel als potentieel kantelelement

Een onderzoeksteam onder leiding van Richard Washington van de Universiteit van Oxford heeft de grootste stofbron ter wereld, de Bodélé-depressie van Tsjaad, geïdentificeerd als een potentieel kantelelement. Vanuit dit gebied in de zuidelijke Sahara vegen enorme wolken tot 700.000 ton stof naar de Atlantische Oceaan en het Amazonebekken. De wetenschappers beschrijven hoe het gemineraliseerde in de lucht zwevende stof het klimaatbrede en biofysische feedbackmechanisme op het continent aanzienlijk beïnvloedt.

Als door menselijke tussenkomst regionale windomstandigheden of de oppervlakteconditie van de Bodélé-vallei veranderen, kan de hoeveelheid stof binnen een jaar worden veranderd.

Uitgebreid sterven aan het Amazone-regenwoud?

Onderzoekers onder leiding van Yadvinder Malhi, ook van de Universiteit van Oxford, hebben 19 verschillende mondiale klimaatmodellen gebruikt om te onderzoeken of klimaatverandering kan leiden tot het wijdverbreid sterven van het Amazone-regenwoud. De analyse is gebaseerd op een scenario van toenemende broeikasgasemissies in de loop van deze eeuw. De resultaten geven aan dat delen van het bos tijdens het droge seizoen onder waterstress kunnen staan.

De onderzoekers leveren ook bewijs dat het Amazone-regenwoud karakteristieke kenmerken van een kantelelement heeft en zou kunnen veranderen in een tropisch seizoensbos.

IJsschilden kwetsbaarder op het platteland

In zijn rapport over mogelijke drempels voor de reductie van zeeijs en continentale ijskappen concludeert Dirk Notz van het Max Planck Instituut voor Meteorologie dat omslagpunten eerder een teken kunnen zijn van de achteruitgang van de Groenlandse en West-Antarctische ijskap dan van de verdwijning van Arctisch zeeijs, wat tot uiting komt in een koeler klimaat kan zich uitbreiden naar eerdere niveaus.

Volgens de wetenschapper kunnen landvormen veel kwetsbaarder zijn voor regionale opwarming, omdat ze, in tegenstelling tot Arctisch zee-ijs, niet gestabiliseerd zouden worden door interne feedbackmechanismen. Het breken van de grote ijskappen zou de zeespiegel de komende eeuwen met enkele meters kunnen verhogen.

Voorkom activering van de kantelelementen

Om activering van de kiepelementen te voorkomen, roepen de Nobelprijswinnaar Mario Molina van de Universiteit van Californië in San Diego en zijn co-auteurs op tot snelle actie door beleidsmakers in de politiek en het bedrijfsleven. De auteurs stellen het Montreal Protocol voor

klimaatactieve stoffen uitbreiden. In het bijzonder moet het gebruik van fluor-chloorkoolwaterstoffen volledig sneller worden gestopt en de uitstoot van roet enorm worden verminderd.

"Na twee decennia verloren klimaatbescherming sinds de publicatie van het Wereldklimaatrapport van 1990, is het twijfelachtiger dan ooit of de maatschappij erin zal slagen de gevaren van mondiale milieuverandering tot een aanvaardbaar niveau te beperken", zegt Schellnhuber. Het onderzoeksgebied van het omslaan van elementen wordt snel een belangrijk wetenschapsgebied, maar belangrijke onderzoeksvragen vormen nog steeds grote wetenschappelijke uitdagingen.

Verder onderzoek nodig

Geen van de onderzochte objecten kon in de toekomst worden genegeerd, omdat bijvoorbeeld antropogene invloeden kunnen worden uitgesloten als triggers van onregelmatig gedrag. Evenzo zou geen van de besproken kantelelementen zo geavanceerd zijn dat activeringstemperaturen of reactietijden worden gekwantificeerd.

"Veel van de kranten wijzen de weg naar verder onderzoek, maar het lijkt erop dat we nog minstens tien jaar moeten leven in queasy onzekerheid over de potentieel meest bedreigende effecten van de opwarming van de aarde." "Zegt Schellnhuber.

(idw - Potsdam Institute for Climate Impact Research, 10.12.2009 - DLO)