De toekomst van het klimaat op aarde is onzeker, maar de wereld moet zich voorbereiden op verandering.

En nu klimaatsimulaties, die de fysieke interacties tussen land, zee en lucht nabootsen met behulp van bekende natuurkundige wetten en vergelijkingen. Dergelijke modellen kunnen in het verleden kijken en oude ijstijden of broeikaswerelden reconstrueren met behulp van gegevens uit gesteenten en ijskernen.

Maar klimaatwetenschappers gebruiken deze simulaties ook om een reeks verschillende mogelijke toekomsten te voorzien, met name als reactie op klimaatveranderende broeikasgasemissies. Deze scenario’s van het type “Kies je eigen avontuur” zijn bedoeld om te voorspellen wat er de komende decennia gaat gebeuren als gevolg van verschillende emissieniveaus. Dat betekent dat er boven- en ondergrenzen worden gesteld aan antwoorden op vragen als: Hoe warm zal het worden? Hoe hoog zal de zee stijgen?

Het goede nieuws is dat klimaatsimulaties steeds beter worden in het nabootsen van zelfs de meest subtiele aspecten van klimaatverandering, zoals de ingewikkelde fysica van wolken, het effect van aërosolen en het vermogen van de oceaan om warmte uit de atmosfeer te absorberen.

Maar er is ook slecht nieuws: Meer informatie betekent niet altijd meer duidelijkheid. En dat leidt nu tot onzekerheid over hoe slecht het “worst-case scenario” voor het klimaat op aarde zou kunnen zijn.

Vijf jaar geleden waren de waarschijnlijke worst-case klimaatscenario’s al zorgwekkend genoeg. Volgens een zogenaamd “business-as-usual”-scenario, waarin de mensheid geen actie onderneemt om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, zou de planeet tegen 2100 naar verwachting tussen 2,6 en 4,8 graden Celsius opwarmen ten opzichte van de gemiddelde temperatuur van de aarde tussen 1986 en 2005 (SN:13/14). Het wereldgemiddelde zeeniveau zou in datzelfde scenario waarschijnlijk met een meter stijgen, volgens het rapport van 2014 van het Intergovernmental Panelon Climate Change, of IPCC.

Maar de nieuwste generatie klimaatmodellen suggereert dat het klimaat van de aarde nog gevoeliger kan zijn voor zeer hoge niveaus van atmosferische kooldioxide dan ooit werd gedacht. En dat verhoogt weer de voorspellingen over hoe warm het kan worden.

“We hebben discussies over ‘Geloven we deze modellen?'” zegt Andrew Gettelman, een klimaatwetenschapper bij het National Center for Atmospheric Research, of NCAR, in Boulder, Colo.

Dat komt omdat de simulaties dezelfde vergelijkingen gebruiken om naar vroegere en toekomstige klimaatomstandigheden te kijken. En veel simulaties hebben nog steeds moeite om het klimaat van zeer warme perioden in het verleden, zoals het Eoceen tijdperk (SN: 11/3/15), nauwkeurig na te bootsen. Naarmate de wereld warmer wordt, zo blijkt, beginnen de onzekerheden toe te nemen. “Niemand discussieert over of minder dan 2 graden,” zegt Gettelman. “We maken ruzie over de hoge kant.”

Turning up the heat

Het eerste teken dat er iets heel vreemds aan de hand was met de nieuwste modellen kwam in maart, tijdens een bijeenkomst in Barcelona van wetenschappers en modelleurs die werken aan next-gen klimaatsimulaties. Veel van de simulaties zullen worden opgenomen in het volgende IPCC-beoordelingsrapport, waarvan het eerste deel in april 2021 moet uitkomen.

Alle simulaties bevatten schattingen van iets dat evenwichtsklimaatgevoeligheid wordt genoemd, of ECS. Dat betekent in feite hoe het toekomstige klimaat van de aarde naar verwachting zal reageren op een nieuwe normaal – met name een atmosfeer die tweemaal zoveel kooldioxide bevat als in pre-industriële tijden.

Een soortgelijke trend blijkt uit diverse bekende simulaties, ontwikkeld door teams van het NCAR, het Amerikaanse ministerie van energie, het Hadley Centre for Climate Prediction and Research in Exeter en het in Parijs gevestigde Institut Pierre-Simon Laplace, ofwel IPSL. In deze modellen was de ECS hoger, hetgeen betekent dat de aarde gevoeliger was voor kooldioxide, dan in eerdere modelgeneraties. In werkelijkheid wijst dit erop dat de gassen nog meer invloed op de aardatmosfeer kunnen uitoefenen dan gedacht. Uiteindelijk zou dat kunnen betekenen dat de temperaturen heter kunnen worden dan zelfs de hoogste eerdere prognoses deden vermoeden.

In september hebben wetenschappers van het IPSL en het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, ofwel het CNRS, eveneens in Parijs, hun simulaties openbaar gemaakt. Op basis van prognoses van twee afzonderlijke klimaatmodellen meldden de teams dat de gemiddelde opwarming van de aarde tegen 2100 zou kunnen oplopen tot 6 à 7 graden C (of ongeveer 11 à 13 graden Fahrenheit) ten opzichte van pre-industriële tijden.

Zoals vele nieuwe-gen klimaatsimulaties hebben de twee Franse modellen een fijnere resolutie en betere representaties van de werkelijke omstandigheden dan vroegere simulaties. Getoetst aan de huidige klimaatobservaties slagen de nieuwe simulaties er ook beter in die observaties te reproduceren, zegt CNRS-klimatoloog Olivier Boucher.

Maar de hoge ECS blijft een verrassing. “Onze is beter” in termen van de fysica, zegt Boucher. “Maar dat betekent niet automatisch dat we meer vertrouwen hebben in de toekomstverwachtingen.”

Dit ECS raadsel, dat sommige modellen nog steeds laten zien, kwam 21 november weer ter sprake op een bijeenkomst van de National Academy of Sciences atmosfeer en klimaat wetenschapsraad in Washington, D.C. De meest waarschijnlijke oorzaak van de hoge ECS, zei Gettelman op de bijeenkomst, was in hoeveel de modellen schatten dat wolken de opwarming zullen versterken (SN: 3/22/14). Onder andere de hoogte van de wolken in de atmosfeer speelt een rol: Wolken op lagere hoogte kunnen zonlicht terugkaatsen in de ruimte, terwijl wolken op grotere hoogte warmte kunnen vasthouden. Gettelman en zijn collega’s bespraken in juli in Geophysical Research Letters ook het belang van wolken in ECS-modellen.

“Wolken op hoge breedtegraden lijken heel belangrijk te zijn,” zegt Gettelman. Het gebied boven de Zuidelijke IJszee is van bijzonder belang, maar er zijn nu ook studies gaande om de effecten van wolken op grote hoogte in het noordpoolgebied en van wolken op lagere hoogte in de tropen te onderzoeken.

Een nieuw paradigma

Het uitzoeken hoe de hoge-ECS-modellen moeten worden besproken zal waarschijnlijk een hoofdpijn zijn voor de auteurs van het volgende IPCC-rapport. Het landschap van klimaatsimulaties wordt ook op andere manieren gecompliceerder.

Voor het IPCC-rapport van 2014 hebben klimaatmodelleurs ook deelgenomen aan de vijfde iteratie van een project om normen en scenario’s voor klimaatprojecties vast te stellen. Dat project heet het WorldClimate Research Programme’s Coupled Model Intercomparison Project, of kortweg CMIP5.

De toekomstprojecties van CMIP5 zijn georganiseerd volgens een concept dat “representatieve concentratiepaden” of RCP’s wordt genoemd. Elk pad schetst een mogelijke klimaattoekomst op basis van de fysische effecten van broeikasgassen, zoals kooldioxide en methaan, wanneer ze in de atmosfeer blijven hangen en straling van de zon vasthouden. Een aarde waarin de uitstoot van broeikasgassen snel en drastisch wordt teruggedrongen, werd voorgesteld door een scenario dat RCP 2.6 werd genoemd. Het business-as-usual scenario stond bekend als RCP 8.5.

Het komende zesde beoordelingsrapport van het IPCC zal zich baseren op projecties van CMIP6, de nieuwe gevoeligere modellen. En daarin zijn RCP’s uit, en een nieuw paradigma genaamd “sharedsocioeconomic pathways,” of SSP’s, is in.

Terwijl RCP-prognoses uitsluitend gebaseerd zijn op de manier waarop verschillende concentraties gassen de atmosfeer opwarmen, houden SSP-prognoses ook rekening met maatschappelijke verschuivingen, zoals veranderingen in demografie, verstedelijking, economische groei en technologische ontwikkeling. Door na te gaan hoe dergelijke veranderingen de toekomstige klimaatverandering kunnen beïnvloeden, hopen wetenschappers dat de SSP’s landen ook kunnen helpen beter te beoordelen hoe ze hun eigen emissiedoelstelling kunnen halen die ze hebben toegezegd in het kader van de Overeenkomst van Parijs (SN: 12/12/15).

Data drive

Menselijk gedrag is niet de enige bron van onzekerheid als het gaat om het voorzien van worst-case scenario’s. Wetenschappers worstelen ook met het simuleren van de ingewikkelde fysische interacties tussen ijs, oceaan en atmosfeer, vooral als de temperaturen blijven stijgen.

“De meeste oceanen hebben lucht bovenop zich, en oceanen hebben ijs bovenop zich. En het ijs beweegt, het ijs werkt op elkaar in. Het is een heel moeilijk iets,” zegt Richard Alley, aglacioloog aan Penn State.

Klimaatmodellen zijn nu zo ver dat ze veel van deze interacties kunnen reproduceren door ze aan elkaar te “koppelen” in één simulatie, zegt Alley. Dit is de sleutel tot het nauwkeurig voorspellen van mogelijke toekomsten: Dergelijke gekoppelde simulaties laten zien hoe deze interacties elkaar beïnvloeden, waardoor de kans op nog hogere temperaturen of nog hogere zeeën toeneemt.

Maar er blijven talrijke bronnen van mogelijke onzekerheid bestaan als het gaat om het anticiperen op het zogenoemde worst-casescenario. Bijvoorbeeld, hoe snel de zeeën zullen stijgen is gekoppeld aan hoe snel de grote ijskappen die Groenland en Antarctica bedekken ijs zullen verliezen aan de oceaan, door smelten of instorten (SN: 9/25/19).

Klimaatsimulaties reproduceren dat smelten nog steeds niet goed, zelfs niet in het speciale rapport van het IPCC over de gevolgen van klimaatverandering voor ijs en oceanen dat in oktober 2019 wordt uitgebracht. Dat komt deels omdat wetenschappers nog niet helemaal begrijpen hoe het ijs reageert op klimaatverandering, zegt glacioloog Eric Rignot van de Universiteit van Californië in Irvine. “We boeken vooruitgang”, zegt hij, “maar we zijn er nog niet.”

Een van de grootste onzekerheden is hoe opwarmende oceanen kunnen reageren op de uitgestrekte onderbuiken van gletsjers die de ijskappen omzomen, waardoor ze eroderen, zegt Rignot. Om te bepalen hoe een dergelijke erosie zou kunnen plaatsvinden, zijn gedetailleerde bathymetriekaarten nodig, kaarten van deze bodem die diepe kanalen kunnen onthullen waardoor warmer oceaanwater fjorden kan binnensluipen en de gletsjers kan wegvreten (SN: 4/3/18).Hij en zijn collega’s hebben een aantal van die kaarten voor Groenland gemaakt.

Wetenschappers proberen ook gegevens van de grond te krijgen om andere onzekerheden aan te pakken, zoals hoe opwarming het gedrag van de ijskappen zelf kan veranderen wanneer ze zich uitstrekken, buigen en over de grond glijden. In 2018 is een internationaal samenwerkingsverband van wetenschappers begonnen aan een vijfjarig project om het afbreken van de Thwaites-gletsjer ter grootte van Florida in de West-Antarctische ijskap in real time te bestuderen. Warme oceaanwateren dunnen de gletsjer uit, die de ijskap als een steunpilaar ondersteunt, waardoor de ijsstroom naar de oceaan wordt vertraagd. Thwaites zal waarschijnlijk instorten, mogelijk binnen de komende decennia.

En er zijn andere processen nog niet opgenomen in de CMIP modellen die ijs snel in de zee kunnen doen tuimelen: Smeltwater sijpelt door scheuren en spleten naar de basis van de ijskap en smeert zo het glijden van land naar oceaan. Smeltwater kan ook bevriezen tot vaste, ondoordringbare platen die de stroom van nieuw smeltwater naar de oceaan kunnen versnellen (SN: 18/9/19). Misschien wel het meest beangstigend is dat sommige onderzoekers hebben gesuggereerd dat toekomstige opwarming ervoor zou kunnen zorgen dat de gigantische, steile ijskliffen van Antarctica plotseling grote stukken ijs verliezen aan de oceaan, waardoor de zeespiegel snel zou stijgen (SN: 2/6/19).

Er is een goede reden waarom de huidige klimaatmodellen de ijsklifthypothese niet meenemen, zegt Alley. “De beste modellen, degene waarvan je het meeste vertrouwen kunt hebben dat ze reconstrueren wat er recentelijk is gebeurd, doen over het algemeen niet veel moeite om dingen af te breken,’ zegt hij. Het probleem zit hem niet in het simuleren van de fysica van het afbreken van ijsschotsen, maar in het simuleren van welke ijsschotsen precies zullen afbreken – en wanneer. Dat maakt de potentiële fout bij het simuleren van die processen erg groot.

“Dat is een groot deel van de spanning in de gemeenschap op dit moment,” voegt Alley toe. “Hoe hiermee om te gaan is nog steeds moeilijk te bewijzen.”

In het speciale IPCC-rapport van 2019 werd de ijsklifhypothese opgemerkt, maar als uiterst onwaarschijnlijk beschouwd. Maar dat betekent niet dat het onmogelijk is, zegt Alley – of dat het in het verleden niet is gebeurd. Bewijs uit oceaansedimenten laat zien dat reusachtige ijsbergen in het verleden zijn losgebroken van kliffen op het vasteland en in zee zijn gesmolten. Als de Thwaites-gletsjer zich helemaal naar het binnenland van Antarctica terugtrekt, kunnen er door het afkalven enorme kliffen ontstaan die twee keer zo hoog en tien keer zo breed zijn als de kliffen die in Groenland zijn waargenomen, zo merkte hij in december op tijdens de jaarlijkse bijeenkomst van de American Geophysical Union in San Francisco.

Het IPCC “gaat ervan uit dat we geluk hebben en dat het niet zal gebeuren,” zei Alley. Maar de gegevens over de oceaansedimenten roepen “serieuze vragen op over die veronderstelling.”

Gettelman waarschuwt ondertussen dat de aanhoudende onzekerheid in de toekomstprojecties niet betekent dat de wereld moet wachten om te zien wat er gebeurt of dat wetenschappers het maar moeten uitzoeken. “Het betekent echt dat we snel iets moeten doen,” zegt hij. Of de prognoses voor hoge temperaturen of zeespiegelstijgingen nu reëel blijken te zijn of niet, “het is nog steeds behoorlijk slecht.”