Welke rol spelen ecosystemen in ons klimaat?
Een klein plantje kan van grote betekenis zijn voor dieren, mensen – en het klimaat. Zeegras vormt wereldwijd een belangrijke ecosysteem. Het biedt voedsel en bescherming voor veel diersoorten van de oceanen. Grote zeegrasvelden spelen bovendien een belangrijk rol bij de bescherming van de kust. En ook voor het klimaat speelt zeegras een belangrijke rol!
Het is daarom belangrijk om te weten hoe goed zeegras bestand is tegen het opwarmen van de aarde en de oceanen. Onderzoeker Fee Smulders (Wageningen Universiteit) is voor haar onderzoek letterlijk in het zeegras gedoken. Ze onderzoekt hoe klimaatverandering het ecosysteem van zeegras beïnvloedt – en of klimaatverandering hier invloed op heeft.
Hoe ben je verzeild in onderzoek naar zeegras?
“Dat was tijdens mijn studie Biologie aan de Universiteit van Amsterdam. Ik was breed geïnteresseerd, en je kon veel kanten op tijdens de studie. De veldwerken vond ik het leukst, daar leer je het meest. Tijdens een veldwerk in Portugal kwam ik in aanraking met zeegras. Zeegras groeit dus op de bodem van de zee. Het wordt vaak verward met zeewier, maar zeegras heeft wortels en zaden – net als gras. Ik vond het heel interessant, en het onderwerp bleef in mijn achterhoofd zitten toen ik mijn master Mariene Biologie ging doen en mij verdiepte in tropische mariene ecologie. In die tijd leerde ik ook Marjolijn Christianen, mijn huidige begeleider, kennen. Wat dat betreft heb ik geluk gehad, want interesse in zeegras begon in die tijd net te groeien.”
Wat maakt zeegras zo’n interessant onderwerp?
“Het wordt steeds duidelijker dat zeegras een belangrijke, stabiliserende functie heeft voor het mariene ecosysteem, net zo belangrijks als mangroves. Zeegras slaat ook veel CO2 als koolstof op en speelt bovendien een rol in het beschermen van de kust. Een gebied zonder zeegras is als duinen zonder helmgras; het zand kan alle kanten op. En omdat we nog maar weinig van zeegras afweten is er veel laaghangend fruit, veel onderzoek is bedoeld om een eerste basis te leggen. Hoe reageert zeegras op de klimaatverandering, welke rol speelt het bij de kustbescherming of de biodiversiteit? Er is nog veel meer te ontdekken, dat is heel motiverend.”
Wat onderzoek jij precies?
“Specifiek kijk ik naar de effecten van zeeschildpadden en hun interacties met zeegras in het Caribisch gebied. De groene zeeschildpad is bijvoorbeeld afhankelijk van zeegras, het is hun brood en boter, volwassen schildpadden eten bijna niks anders. Twintig jaar geleden was deze schildpadsoort functioneel uitgestorven. Mensen zien toen begonnen met het beschermen van de schildpaddenpopulaties – en met indrukwekkend succes. Alleen is er wel een keerzijde: met hun terugkeer grazen ze soms de zeegrasvelden leeg, tot afsterven aan toe. In mijn veldwerkgebieden in Bonaire kijk ik onder andere hoe groot de invloed is van grazende zeeschildpadden op de groei van zeegras: ik plaats kooien op stukken zeegras en keer na een tijdje terug om te zien wat het verschil is met en zonder begrazing.“
En kan je al wat vertellen over de resultaten?
“Wat heel interessant is gebleken, is de rol die haaien spelen. Als er veel haaien in een gebied zijn, heeft dat een positief effect op de kwaliteit en groei van zeegras. Zo zijn er bij de Bermuda eilanden relatief weinig haaien maar wel veel schildpadden. Deze kunnen ongestoord grazen en de zeegrasvelden daar zijn dan ook grotendeels kaal of verdwenen. Op de Bahama’s zie je iets heel anders. Er zijn daar meer haaien en je kan zien dat het graaspatroon van zeeschildpadden anders is: ze zijn voorzichtiger en blijven niet lang op dezelfde plek eten. Dat voorkomt overbegrazing van de zeegrasvelden. Haaien leveren dus een positieve bijdrage aan het behoud van het zeegrasecosysteem.”
Dus zeegras staat onder druk?
“Ja, maar er spelen wel meer factoren een rol. Klimaatverandering, maar ook andere menselijke factoren: de toename van nutriënten in het water, kap van mangroves, bebouwing van de kust. Zeegras wordt bij zwemstranden vaak weggehaald. En heb je het eenmaal weggehaald, dan is het heel lastig om het weer terug te laten komen. Er is nog geen beleid voor het beschermen van zeegrasecosystemen, zoals er bijvoorbeeld voor koraal wel is.”
Duiken in Bonaire als veldwerk, dat lijkt mij dan weer niet verkeerd…
“Vergis je niet, het is hard werken! En ik plan altijd teveel in zo’n veldwerkperiode, dus je maakt lange dagen. Ik kijk naar de groei van zeegras, dus dat betekent dat ik naar beneden duik met een liniaal en letterlijk blaadjes zeegras meet. Daar voel je wel de hele tijd de golfslag, die voel je in de avond nog. Omdat je niet heel diep hoeft te duiken kan ik drie uur achter elkaar onder water blijven, vaak doe ik twee sessies achter elkaar – maar ik had afgelopen veldwerk soms ook drie. Mensen zeggen wel eens tegen mij, wat lekker daar – maar het is soms echt doorbikkelen!”
Wat is de rol van kustgebieden voor het klimaat?
De kuststrook vormt het belangrijke overgangsgebied tussen oceanen en continenten. Het lijkt op het eerste gezicht een klein gebied, maar wereldwijd vormen kustgebieden zo’n vijftien procent van het aardoppervlak! En juist in de kustgebieden komen ontzettend veel verschillende processen samen die invloed op het klimaat hebben. Toch is er nog maar weinig bekend hoe de kustgebieden het klimaat beïnvloedden. Tijd om daar verandering in te brengen, vindt onderzoeker Anne Kruijt aan de Universiteit Utrecht. De komende jaren maakt ze een computermodel van het kustgebied en onderzoekt ze welke rol het kustgebied speelt voor het klimaat.
Aan wat voor processen moet ik dan denken?
“We weten dat er heel veel processen in de kustgebieden plaatsvinden die belangrijk zijn voor het klimaat op aarde. Kustwater kan CO2 opnemen uit de atmosfeer – of het juist uitstoten. Dat hangt bijvoorbeeld af van hoeveel leven er plaatsvindt in het water. Denk aan de vele vissen en planten die juist in dit gebied voorkomen en, nadat ze dood zijn gegaan, in de zeebodem worden begraven. Ook groeien er in veel kustgebieden koralen en leven er dieren die schelpjes maken van kalk. Die vorming van kalk speelt een belangrijke rol in het opnemen en uitstoten van CO2.
Alleen weten we dus nog niet goed hoe al deze verschillende processen in het kustgebied een rol spelen en hoe groot hun invloed is op het klimaatsysteem. Het is relevant om deze goed in kaart te brengen en te begrijpen welke processen voor klimaatonderzoek van belang zijn.”
Waar kijk jij naar in je onderzoek?
“Het systeem is complex. En juist omdat het zo complex is, is het belangrijk om het systeem zo veel mogelijk te versimpelen in het computermodel dat ik maak. Zo kan je er namelijk beter achter komen wat de rol van elk individueel proces is. Ik kijk op dit moment naar drie variabelen: de temperatuur van het water, de hoeveelheid licht en de hoeveelheid CO2 opgelost in het water. We denken op dit moment dat dit de drie belangrijkste variabelen zijn.
Maar het zou zomaar kunnen dat we later in het onderzoek er achter komen dat ook andere processen van belang zijn, en dat we meer variabelen nodig hebben; bijvoorbeeld voedingstoffen aanwezig in het water, of beestjes die geen kalkskeletjes bouwen maar skeletjes van silica.”
Hoe beïnvloedt klimaatverandering de processen in het kustgebied?
“Wanneer de aarde warmer wordt en de zeespiegel stijgt, komt een groter gedeelte van de aarde onder water te staan, het gebied met ondiep water wordt daardoor misschien groter. Hierdoor kan meer zeewater gemakkelijk opwarmen, en kan meer licht de bodem bereiken – dat beïnvloedt allemaal de processen in het zeewater.
Er wordt al veel onderzoek gedaan naar hoe de oceanen veranderen onder invloed van de huidige klimaatverandering. Mijn onderzoek kijkt vanuit een net andere hoek: wat is de rol van het kustgebied in het vormen of vasthouden van CO2? Uiteindelijk willen we weten hoeveel CO2 kustgebieden kunnen uitstoten – of juist opnemen.
Hiervoor kijken we eerst naar het verleden. In heel warme tijdsperiodes van de aarde, toen er veel CO2 in de atmosfeer was en er relatief meer kustgebieden waren, begon de CO2-concentratie in de lucht geleidelijk weer te zakken. De kust zou juist een belangrijke rol kunnen spelen om CO2 uit de atmosfeer te halen.”
Hoe maak je een klimaatmodel?
Hoe ziet een aarde eruit die 2° Celsius warmer is? Krijgen we extremer weer? En hoe heet worden de zomers in Europa? Dit zijn belangrijke vragen over de toekomst van onze planeet. Ze bepalen ook voor een groot deel de impact van klimaatverandering, zoals zeespiegelstijging en condities voor landbouw. Om op dit soort vragen antwoord te kunnen geven, gebruiken wetenschappers een klimaatmodel. Het bouwen van zo’n wiskundig model van het systeem aarde is een flinke klus. Honderden wetenschappers over de hele wereld puzzelen hier gezamenlijk aan. Eén van hen is promovendus Leo van Kampenhout (Universiteit Utrecht). Hij kijkt specifiek naar de invloed van klimaatverandering op de Groenlandse ijskap.
Wat is de hoofdvraag van je onderzoek?
“Ik onderzoek met hulp van een klimaatmodel hoe gevoelig de ijskap van Groenland reageert op een warmer klimaat. Dit is belangrijk, omdat massaverlies op Groenland direct bijdraagt aan zeespiegelstijging.”
Waarom gebruik je hiervoor een klimaatmodel?
“In mijn onderzoek gebruik ik een mondiaal klimaatmodel, het Community Earth System Model (CESM). Een mondiaal klimaatmodel probeert het klimaatsysteem van de hele aarde te modelleren, inclusief atmosfeer, oceaan en landgebruik. Daarnaast bestaan er ook veel verschillende regionale klimaatmodellen, die kijken naar een specifiek gebied en hebben vaak geen oceaancomponent. Maar smeltwater van Groenland belandt in de Atlantische Oceaan en beïnvloedt daar de oceaanstroming. Een integrale aanpak mét oceaan, oftewel een gekoppeld klimaatmodel, is daarom het beste, zeker als we op lange tijdschalen willen kijken.”
Wat modelleer je precies?
“Er zijn twee componenten in de massabalans van een ijskap. Aan de ene kant heb je sneeuwval en smelt, dat vindt plaats aan het oppervlak. De andere component is het afkalven van de ijskap in zee, waarbij ijsbergen ontstaan.
Ik richt mij vooral op het modelleren van de oppervlakte-processen: de zogeheten oppervlaktemassabalans. Hier ontwikkel ik het model ook op verder. Andere onderzoekers, niet in Utrecht, werken aan het afkalvend ijs. Mijn onderzoek is voor hen van belang: het helpt hen om te kunnen bepalen hoeveel ijs er afkalft. Andersom geldt ook: wat zij doen, is voor mij weer van belang. Als de stroming naar zee toeneemt komt het midden van de ijskap lager te liggen. Daardoor krijg je meer smelt. Dus deze twee processen zijn aan elkaar gelinkt. We zijn momenteel bezig om beide processen aan elkaar te knopen binnen het CESM-klimaatmodel. Dat is vrij baanbrekend werk, er zijn nog maar weinig onderzoeksgroepen die dit met zo’n compleet klimaatmodel doen.”
Wat verwacht je in het model te zien?
“We verwachten te zien dat door het smelten van Groenland de dominante oceaanstroming in de Atlantische Oceaan afzwakt, en dat de atmosferische circulatie verandert doordat de ijskap kleiner wordt. Eén en ander zal afhangen van hoe gevoelig Groenland reageert op de opwarming. En het hangt natuurlijk af van hoe warm het überhaupt wordt: de mens is de grootste onzekerheid in dit soort werk.”
En Antarctica, daar ligt toch ook een grote ijskap?
“Ik kijk op dit moment vooral naar oppervlakteprocessen op Groenland. In tegenstelling tot Groenland staat de ijskap van Antarctica veel meer in contact met oceaanwater. Op Antarctica liggen ijsplaten deels in de oceaan. Dat uitgangspunt maakt het verhaal complex. Na mijn promotie ben ik van plan mijn aandacht hierop te richten.”
Hoe ben je bij dit onderzoek beland?
“Ik heb technische wiskunde gestudeerd in Groningen, na mijn afstuderen ben ik gaan werken bij een softwarebedrijf. Na twee jaar stapte ik over naar de Universiteit Utrecht en werd hier modelondersteuner. Het onderzoek sprak me aan, en ik heb al snel gesolliciteerd naar een promotieplek: het is leuk en relevant onderzoek. ”
Hoe gevoelig is het klimaat voor CO2?
De aarde heeft gedurende haar miljoenen jaren oude geschiedenis al heel wat heftige kantelpunten van het klimaat meegemaakt. Van ijskappen die rap verdwenen tot periodes van verzengende hitte waarin temperaturen razendsnel omhoog schoten. Klimaatwetenschappers Joost Frieling (Universiteit Utrecht) en Caitlyn Witkowski (NIOZ) willen weten bij welke hoeveelheid CO2 de aarde in het verleden een kantelpunt bereikte. Zo hopen ze in te kunnen schatten of we door de huidige stijging van CO2 in de atmosfeer een kantelpunt naderen.
Waarom is het belangrijk om CO2 concentraties van het verleden te kunnen bepalen?
Joost: “In de eerste plaats is het interessant om te weten te komen wat deze concentraties vroeger zijn geweest: was het ooit anders dan nu? Daarnaast is het van belang om te kunnen inschatten hoeveel verder de temperatuur op aarde gaat stijgen door de toenemende hoeveelheid CO2 in de atmosfeer. Dan moeten we wel weten hoe gevoelig de aarde is voor een stijging van CO2. Daar is nou juist nog veel onduidelijkheid over.
Je komt hier alleen achter door te kijken naar de natuurlijke experimenten die de aarde al eerder heeft gedaan, miljoenen jaren geleden. De aarde heeft verschillende periodes gekend waarbij de planeet een heel stuk warmer was. Van die warme periodes kunnen we de temperatuur vrij goed reconstrueren, maar het lukt nog niet goed om ook de CO2-concentraties te achterhalen. Terwijl dat wel nodig is om goed te kunnen zeggen in welke mate CO2 heeft bijgedragen aan de gigantische temperatuurstijgingen van die tijd. En die informatie vertelt ons weer hoe gevoelig de aarde is voor CO2.”
Hoe zijn CO2-concentraties van zo lang geleden nog te achterhalen?
Cait: “In ijskernen is de concentratie van CO2 in het verleden direct te meten – met ijskernen kan je ongeveer een miljoen jaar terugkijken. Maar om kantelpunten beter te voorspellen, kijken we naar veel langere tijdsperioden – niet een miljoen, maar wel honderden miljoenen jaren geleden. We zijn vooral geïnteresseerd in periodes waarin CO2-concentraties heel snel veranderden. Wil je zover terugkijken, dan valt met hulp van scheikunde de hoeveelheid CO2 op een indirecte manier te achterhalen. We bestuderen daarvoor de fossielen van leven die ook toen CO2 gebruikten: planten en algen.”
Joost: “In mijn onderzoek gebruik ik de restanten van bepaalde algen, de zogenaamde dinoflagellaten. Dit zijn algen die bovenin de waterkolom van de zee leven en zich voeden met zonlicht. Wat ze bijzonder maakt is dat ze een ‘overlevingstentje’ bouwen van een soort bioplastic dat bewaard blijft op de bodem van de oceaan, en dat we kunnen gebruiken om de CO2-concentraties van die tijd te achterhalen.”
Cait: “Ik kijk juist naar iets dat alle algen maken: chlorofyl. Het is het stofje dat planten en algen hun groene kleur geeft en dat hen helpt met het absorberen van zonlicht om energie te winnen. Een alg blijft door de tijd heen niet goed bewaard, maar sommige stoffen en chemische verbindingen, zoals chlorofyl, blijven wel in het sediment goed bewaard. Omdat alle algen chlorofyl maken, vinden we het overal op aarde terug, zelfs in lagen die twee miljard jaar oud zijn! Met zoveel beschikbare data is het gemakkelijker om te bepalen wanneer kantelpunten in het klimaat voor kunnen komen.”
Wat kunnen we doen als we weten hoe gevoelig de aarde is voor een stijging van CO2?
Joost: “Het klimaat kent een paar echt duidelijke kantelpunten, zoals bijvoorbeeld de stabiliteit van de Groenlandse ijskap. Op het moment dat we aan de hand van het verleden kunnen inschatten hoeveel opwarming en hoeveel CO2 tot het verdwijnen van de ijskap zouden leiden, dan kunnen we ook voorspellingen maken hoe dicht we bij dat kantelpunt zitten. Dat geldt ook voor kantelpunten van de ijskap op Antarctica, maar bijvoorbeeld ook voor schattingen wanneer een gebied onleefbaar warm zou worden. Dat laatste is een punt wat in sommige regio’s of steden deze eeuw al zal gaan spelen, vooral in grote steden in Pakistan en India waar het heel vochtig en heel warm is.”
Hoe haalt de aarde CO2 uit de lucht?
Koolstofdioxide (CO2) is een van de belangrijkste broeikasgassen van onze planeet. Het versterkt het broeikaseffect van de atmosfeer en een hogere concentratie van CO2 in de lucht leidt tot opwarming van de aarde. De planeet heeft echter ook haar eigen manieren om CO2-concentraties weer terug te dringen, met een ingewikkelde koolstofkringloop. Klimaatonderzoeker Robin van der Ploeg bij de Universiteit Utrecht richt zijn promotieonderzoek op het doorgronden van deze chemische en biologische processen.
Hoe zit dat met de koolstofkringloop?
“In het verleden van onze aarde zijn vaker warme perioden geweest, waarna het ook weer afkoelde. Bij die warme periodes zat er veel CO2 in de lucht, maar later is dat weer afgenomen. Die omslag heeft veel te maken met de koolstofkringloop: de aarde heeft een manier om CO2-concentraties, en dus ook temperatuur, te reguleren.”
HOE WERKT DAT?
“Een belangrijk onderdeel van de kringloop is verwering. Dat is het mechanisme waar mijn onderzoek zich voornamelijk op richt. Het werkt zo: wanneer de temperatuur op aarde stijgt, zullen gesteentes sneller chemisch verweren. Ze veranderen van samenstelling en brokkelen af. Bij zulke processen is CO2 betrokken, waardoor er CO2 uit de atmosfeer verdwijnt. De aarde kan vervolgens afkoelen. Via rivieren belandt de CO2 in de oceaan en wordt uiteindelijk vastgelegd in gesteenten op de zeebodem.”
Werkt dat kringloopsysteem in onze huidige situatie net zo goed?
“Ik kijk in mijn onderzoek vooral naar het verleden. En je ziet daar dat de koolstofkringloop soms haperde, bijvoorbeeld tijdens een wereldwijde periode van opwarming veertig miljoen jaar geleden. Daarbij duurde het wel 500 duizend jaar voordat het klimaatsysteem en de koolstofkringloop zich herstelden, veel langer dan wat je op basis van de theorie verwacht. De vraag is hoe dat komt; we denken nu dat er toen te weinig verwering was om de stijgende CO2-concentraties te neutraliseren.”
Hoe onderzoek je dat?
“Ik verzamel meer gegevens over de koolstofkringloop in die periode, want er is daarvan nog niet veel bekend. Daarvoor gebruik ik isotopen van het element osmium. Dat komt voor als sporenelement in gesteenten op land én in de oceaan. Voor mijn onderzoek haal ik monsters uit boorkernen van verschillende locaties, waaruit ik het osmium isoleer. Aan de verhouding van osmiumisotopen kan ik bijvoorbeeld zien of er relatief meer of minder verwering was in die tijd. Zo kan ik een deel van de koolstofcyclus achterhalen.”
Wat maakt dit onderzoek interessant voor je?
“Mijn onderzoek is vooral belangrijk om uit te pluizen wat de interactie is tussen het klimaatsysteem en de koolstofcyclus. Wat veroorzaakt klimaatverandering? Hoe reguleert het systeem zich? Als we dat beter weten, kunnen we klimaatverandering in de komende eeuw misschien niet precies voorspellen – maar wel veel beter begrijpen. Voor mij is dat een belangrijke motivatie. Wij mensen brengen zelf grote verstoringen aan, en we moeten beter begrijpen hoe het systeem daarop reageert.”
Wat is een tipping point?
Tipping Point Ahead gaat over de kantelpunten in ons klimaat. Het zijn momenten waarop ons klimaat in een korte tijd drastisch en onomkeerbaar kan omslaan. Een belangrijk, maar ook ingewikkeld onderwerp. Want wat is zo’n tipping point precies? Wat voor kantelpunten zijn er al ontdekt, en hoe werken ze? Moeten we er ons zorgen over maken? In deze introductiefilm gaat Mark op zoek naar antwoorden op deze vragen.
Een klimaatonderzoeker die zich met kantelpunten bezig houdt is Sebastian Bathiany (Wageningen Universiteit). Hij bestudeert onder andere of er een kantelpunt bestaat waardoor het poolijs op de Noordpool plotsklaps kan verdwijnen.
Waarom zijn kantelpunten zo’n belangrijk onderwerp?
“Als je het hebt over een kantelpunt, dan gaat het echt over enorm snelle veranderingen. Hoe het klimaat op dit moment verandert, is op sommige punten al dramatisch omdat het zo snel gaat: organismen krijgen de kans niet om zich aan te passen. Als we daar bovenop een nóg abruptere verandering krijgen, is aanpassen al helemaal niet haalbaar. Het is daarom belangrijk om te onderzoeken onder welke omstandigheden een tipping point meer of minder waarschijnlijk is.”
Hoe doe je dat?
“Dit soort onderzoek gaat met wiskundige modellen. Die proberen de realiteit weer te geven op een manier dat je ermee kunt werken. Er zijn simpele modellen, maar die blijven beperkt in wat je ermee kunt voorspellen. En dan heb je de complexe modellen: die zijn zo ingewikkeld en groot, dat je er alleen mee kunt werken op een supercomputer. In Duitsland hebben ze zelfs een heel huis gebouwd waarin enkel die computer past; alleen maar om met één model te werken.”
Wat maakt die modellen toch zo ingewikkeld?
“Het klimaat is complex: er zijn enorm veel processen die een rol spelen. Hoe de lucht beweegt, opwarmt en afkoelt. De oceanen, het ijs en de wolken. En de vegetatie: planten wisselen water uit met de atmosfeer, beïnvloeden de wind, nemen CO2 en zonlicht op. Vegetatie is moeilijk om in een model te vangen, omdat het leeft. Het moeilijkste bij het maken van een model is het bepalen van de schaal waarnaar je moet kijken. Voor bepaalde aspecten van het klimaat zijn bepaalde factoren belangrijk; dat moet je eerst uitzoeken.
Mijn onderzoek richt zich onder andere op het zeeijs op de Noordpool, met als vraag: welke processen zijn belangrijk om een tipping point te voorspellen? Neem bijvoorbeeld het weerkaatsen van licht op het witte ijs, waardoor ijs minder door de zon kan opwarmen. Dit blijkt niet zo belangrijk voor een tipping point.”
Hoe maak je zo’n model?
“Ik schijf computercodes waarin processen zoals het smelten van ijs zijn meegenomen. Het programma geeft dan een resultaat, dat ik kan vergelijken met de complexe modellen. Uiteindelijk gaat het niet om de modellen, maar om de werkelijkheid. Die probeer ik te begrijpen met modellen. Er is een model dat voorspelt dat het ijs op de Noordpool opeens verdwijnt; net als een dun laagje ijs op een bevroren slootje opeens weg kan zijn. Het gaat dan zelfs om het ijs in de winter, dat kan verdwijnen als de CO2 -concentratie toeneemt. Ik wil begrijpen waarom het winterijs zo gevoelig is, en hoe groot de mogelijkheid is dat het aan het eind van deze eeuw echt verdwenen is.”
Hoe ben je in dit onderzoek terechtgekomen?
“Ik vond het klimaat altijd al interessant. Toen ik op school zat wist ik nog niet goed wat ik wilde, maar wel dat ik iets nuttigs wilde doen. Eerst vond ik vooral het politieke probleem van klimaatverandering interessant, maar later wilde ik ook weten: hoe werkt het eigenlijk? Ik ging meteorologie studeren. Toen realiseerde ik me dat ik heel nieuwsgierig ben, en het leuk vind om te leren. Als wetenschapper krijg je betaald om dat te doen: vragen stellen, en ze zelf proberen te beantwoorden.”
Hoe voorspel je een tipping point?
Een kleine verandering in het klimaat dat een abrupte en onomkeerbare omslag veroorzaakt: een kantelpunt. Er zijn tal van kantelpunten te bedenken: ijs op de Noordpool dat plotsklaps kan verdwijnen, oceaanstromingen die ineens veranderen, natuurbranden die gemakkelijker ontstaan. Maar valt zo’n tipping point van te voren te herkennen? Is van te voren al te merken wanneer we dichtbij een kantelpunt komen? Dat zijn vragen waar wiskundige Bregje van der Bolt, onderzoeker bij Wageningen Universiteit, zich dagelijks mee bezighoudt.
Kantelpunten of tipping points
Bregje gebruikt veel wiskunde voor haar onderzoek om kantelpunten te bestuderen. Wetenschappers zoals zij praten over kantelpunten (of ‘tipping points’ in het Engels) als momenten waarop in korte tijd een enorme verandering plaatsvindt. Ze bekijkt kantelpunten in het verleden en hoopt zo iets te weten te komen over de kantelpunten in de toekomst.
Broeikasgassen en roetdeeltjes
Tijdens de geschiedenis van de aarde, miljoenen jaren geleden, is ons klimaat verschillende keren door een relatief kleine verandering plotsklaps omgeslagen. Zo’n omslag had grote gevolgen voor het klimaat van die tijd, en ook voor de rest van de aarde. We weten daardoor dat ons klimaatsysteem zeer waarschijnlijk meerdere, verschillende kantelpunten kent. Vandaag de dag oefenen mensen ook invloed uit op het klimaat. Dat doen wij door de uitstoot van broeikasgassen en roetdeeltjes, maar ook door het kappen van bossen en door land te gebruiken voor het groeien van voedselgewassen. Maar welke gevolgen deze invloeden hebben op bestaande kantelpunten in ons ingewikkelde klimaatsysteem, dat is nog helemaal niet goed duidelijk.
Stukgevallen ei
Het bereiken van een kantelpunt kan enorme, ingrijpende veranderingen op onze planeet veroorzaken. Het kan zelfs heel moeilijk worden om na het bereiken van een kantelpunt het klimaat daarna weer te laten herstellen. Het is als een ei dat stuk valt, of een glas cola dat je omver gooit. Het glas kun je weer rechtop zetten, maar het is een stuk lastiger om de cola weer terug in het glas te krijgen. Misschien is het zelfs onmogelijk.
Voorspellen
Het is dus voor ons van belang om antwoord te kunnen geven op de vraag: is ons veranderende klimaat op dit moment op weg naar een kantelpunt? En zijn er aanwijzingen waardoor we van te voren kunnen zien aankomen dat we een kantelpunt naderen? Door het gedrag van een kantelpunt te bestuderen, hoopt Bregje hierop antwoorden te vinden.
Hoeveel methaan kan de aarde aan?
Ze zijn onzichtbaar voor het blote oog maar spelen een belangrijke rol in het klimaatsysteem van de planeet: micro-organismen. Deze bacteriën leven in meren en moerassen en breken dood plantenmateriaal af. Daarbij stoten ze methaan uit, een sterk broeikasgas. Door het opwarmen van de aarde en het verdwijnen van permafrost kan dit proces versnellen waardoor meer en meer methaan in de lucht belandt. Klimaatonderzoekers Anniek de Jong, Ove Meisel en Michiel in ’t Zandt van het Radboud Universiteit en de Vrije Universiteit Amsterdam werken samen om meer duidelijkheid over dit proces te krijgen. Michiel vertelt in onderstaand lab hoe ze in het microscopisch lab in Nijmegen aan de slag gaan met de verschillende bacteriën.
Wat maakt die piepkleine micro-organismen zo belangrijk voor het klimaat?
“In mijn onderzoek bestudeer ik vooral micro-organismen in wetlands, drassige gebieden zoals moerassen. Ook in noordelijke streken komen veel wetlands voor, met daarin veel zogenaamde archaea, ook wel oerbacterien genoemd, die methaan produceren. Tegelijkertijd leven er in wetlands ook bacteriën die methaan juist consumeren. Als zo’n gebied bevroren is, dan doen veel archaea en bacteriën bijna niks; enzymen werken veel minder hard in de kou. Maar met de opwarming van de aarde gaan die processen sneller. Bovendien ontstaan er meer wetlands en smeltmeren als het warmer wordt. De vraag is hoe dit het evenwicht tussen de micro-organismen beïnvloedt: is het gunstig voor archaea waardoor er meer methaan in de lucht komt en de aarde nog sneller opwarmt? Of komen er juist meer bacteriën die methaan in het minder krachtig broeikasgas CO2 omzetten?”
Je voert je onderzoek uit in een lab in Nijmegen uit, niet in Siberië?
“In het lab kan je beter experimenteren dan in het veld. Natuurlijk wil je de omstandigheden wel zo echt mogelijk houden. Maar ik wil zien hoe de verschillende micro-organismen met elkaar samenwerken. De methanogenen, de archaea die methaan maken, en de methanotrofen, de bacteriesoorten die methaan eten, heb ik geselecteerd en bij elkaar gestopt in een bioreactor. Die soorten wil ik eerst opkweken om het systeem stabiel te krijgen. Daarna kun je gaan kijken hoe ze op elkaar reageren en tot wat voor effecten een verhoogde temperatuur leidt. Als we dat eenmaal weten, kunnen we met echte monsters afkomstig uit de regio aan de slag.”
Wat verwacht je te vinden?
“In een van onze onderzoeken gaan we stapsgewijs de temperatuur met één graad verhogen. Dan zie je eerst meer methaanproductie – de vraag is alleen of dat tijdelijk is, of blijvend. Er zijn honderden soorten, allemaal met hun eigen specialiteit. En methanotrofen, die methaan juist verbruiken, groeien vaak sneller dan methanogenen. Het zou dus best kunnen dat het systeem na verloop van tijd omslaat, dat er opeens andere soorten aanwezig zijn. Eén of twee graden verschil maakt niet veel uit, maar zo’n switch in temperatuur kan ook een grote switch in het ecosysteem betekenen.”
Hoe ben je in dit onderzoek terechtgekomen?
“Mijn masterstage deed ik ook al bij microbiologie. En klimaatverandering vind ik erg interessant: niet alleen de discussie, maar ook de daadwerkelijke feiten.”
Smelt de Groenlandse ijskap?
Het landijs dat bovenop Groenland ligt beslaat een oppervlakte van meer dan veertig keer Nederland – een bijna niet te bevatten hoeveelheid. Als al dat ijs zou ontdooien, leidt dat tot een stijging van de zeespiegel van meer dan zes meter. Best zorgelijk dan ook dat het ijs op Groenland afgelopen jaren steeds sneller aan het smelten is. IJsonderzoeker Sharon van Geffen (Universiteit Utrecht) zoekt uit wat er in de toekomst met de ijskappen op Groenland gaat gebeuren. Hoeveel zorgen moeten we ons maken?
TIPPING POINT
Vooropgesteld, het is heel lastig te voorspellen bij welke temperatuur de Groenlandse ijskap volledig zal gaan smelten. Wel is inmiddels duidelijk geworden dat Groenland nooit eerder in de afgelopen vier eeuwen zo snel ijs aan het verliezen is. Wetenschappers zijn daarom bezorgd dat er een moment in de toekomst zou kunnen komen, indien temperaturen nog verder oplopen, dat de ijskap een tipping point bereikt en vervolgens onherstelbaar gaat smelten. Dat betekent dat het onomkeerbaar zal zijn: ijs zal na het bereiken van dit kantelpunt geheel verdwijnen – zelfs als het later weer kouder wordt!
MODEL
Met haar onderzoek hoopt Sharon beter te voorspellen of, en wanneer, dat kantelpunt van de Groenlandse ijskap wordt bereikt. Ze gebruikt daar gegevens voor afkomstig uit boringen van het Groenlandse ijs. Met sommige van deze boringen kunnen wetenschappers tot wel 125 duizend jaar terugkijken in de geschiedenis.
Sharon kijkt onder andere naar de dikte van het ijs, de temperatuur toen het ijs werd gevormd, en andere data en gebruikt deze voor haar computermodel. Hiermee hoopt ze beter te begrijpen hoe het ijs zich heeft gedragen door de geschiedenis heen. Ze wil zo meer duidelijkheid krijgen over het bestaan van een mogelijk tipping point van het landijs. Ook wil ze graag meer te weten komen over gletsjers, en waardoor gletsjers soms ineens heel snel vooruit kunnen bewegen.
Hoe warm wordt de zee?
Hoe warm kan zeewater worden? Hoe warm zijn de oceanen ooit geweest? Het zijn interessante vragen, vindt Marlow Cramwinckel, klimaatonderzoeker bij de Universiteit Utrecht. Ze bestudeert een mogelijk tipping point uit het verre verleden van de aarde: veertig miljoen jaar geleden warmde het water van de zee enorm snel op en bereikte een piek in temperatuur. Hoe zit dit precies? Vond deze opwarming wereldwijd plaats, in alle oceanen van de aarde? En kunnen we zoiets in de toekomst verwachten? Marlow laat Mark zien hoe zij met behulp van microscopisch kleine fossielen op zoek is naar antwoorden.
Soms vergeten we wel eens hoeveel water er op aarde is: twee derde van de aarde is bedekt met zeeën en oceanen. Dat is zoveel water, dat de temperaturen van oceanen een heel belangrijke rol spelen in het klimaat op aarde. Veranderingen in oceaantemperatuur kunnen zeestromen laten verschuiven, en het oceaanleven is afhankelijk van de juiste temperatuur. Het is een van de redenen waarom Marlow zo graag wil weten hoe warm de zee in het verleden is geweest.
TIPPING POINT?
Wanneer je naar het verleden van de aarde kijkt is de veranderlijkheid van de oceaantemperatuur goed zien. Veertig miljoen jaar geleden werd de zee geleidelijk warmer, gevolgd door een hele plotselinge piek in de temperatuur. Was dat een tipping point? Als we daarachter komen, kan dat helpen om te voorspellen wat er met onze huidige opwarming gaat gebeuren. Kunnen we in de toekomst ook plotselinge versnellingen in de opwarming van de oceanen en onze planeet verwachten?
DINO'S
Maar een thermometer kun je niet terug in de tijd sturen, dus het is niet zo gemakkelijk om de precieze temperatuur van zo’n lange tijd geleden te achterhalen. Onderzoekers zijn aangewezen op andere meetmethodes. Marlow doet dit door heel kleine fossielen te bestuderen. Zo bekijkt zij fossiel plankton, zogenaamde dinoflagellaten, onder de microscoop. De verschillende soorten ‘dino’s’ die ze in aardlagen tegenkomt vertellen haar iets over de omgevingsfactoren in die periode.
Andere eencelligen, zogenaamde Archaea, vormen een ander hulpmiddel. Archaea maken bij verschillende temperaturen een verschillende verhouding moleculen. Aan de hand van deze fossielen is te beredeneren hoe warm het miljoenen jaren geleden was. Aardwetenschappers zoals Marlow noemen deze beestjes een proxy: iets dat je kunt meten, als plaatsvervanger van iets waar je naar op zoek bent (de temperatuur).
RECONSTRUEREN
Marlow zal in haar onderzoek de fossielen gebruiken om de temperatuur in de periode rond veertig miljoen jaar geleden preciezer te reconstrueren. Was er overal een plotselinge temperatuurpiek, en hoe is die ontstaan? De fossielen haalt Marlow uit sedimentkernen, die ze met een grondboor uit de aarde haalt – bijvoorbeeld in Texas, op haar eerste grote veldwerk. Daar ligt gesteente van de juiste ouderdom relatief dicht aan het oppervlak, zodat ze daar goed bij kan. Veertig miljoen jaar geleden was daar een ondiepe zee. Verder is van die plek is ook nog weinig bekend over de omstandigheden van die tijd, dus dit onderzoek vult een gat in Marlows dataset.