Voorspellen wanneer het fatale vogelpoepje in het meer valt

kantelpunten | Een klein zetje kan soms grote gevolgen hebben. Ook het klimaat kan kantelen. De vraag is alleen waar en wanneer de kritische grens is bereikt. En of je het kunt zien aankomen.

Kijk, ook deze tafel heeft een kantelpunt." Marten Scheffer verlaat zijn spreekgestoelte en loopt op de tafel af die midden op het podium staat. Hij tilt hem aan één kant op. "Nu gebeurt er nog niks, maar als ik hem iets hoger til..." De tafel klapt om en komt met een harde klap op zijn blad terecht. "...is een muggepoepje genoeg om hem het laatste zetje te geven." Scheffer heeft zijn punt gemaakt.

De hoogleraar van de Universiteit van Wageningen sprak vorige week op een symposium van de Koninklijke Akademie van Wetenschappen over kantelpunten in het klimaat. Kan het klimaat ook kantelen? Kan een golfstroom stilvallen of de moesson uitblijven? Waardoor ook het klimaat zelf in een hoog tempo en onstuitbaar verandert? Geen klimaatwetenschapper die hieraan twijfelt, maar de vraag is waar en wanneer zo'n kantelpunt zich voordoet. En of het rampscenario zich aankondigt.

Wellicht kunnen we leren van andere kantelpunten, betoogde Scheffer. Het fenomeen waarbij een kleine verandering grote gevolgen heeft, is immers wijdverbreid. Zoals de Lehman Brothers die met hun val een wereldwijde crisis veroorzaakten. De Tunesische straathandelaar die zichzelf in brand stak en zo de aanzet gaf tot de Arabische Lente, was ook een kantelpunt. Net als algen die schijnbaar ineens een meer troebel maken waardoor het andere leven verdwijnt. Scheffer: "Bij het ontstaan van een depressie of het debat over roken in de publieke ruimte kun je ook een kantelpunt aanwijzen."

De term werd een kleine zestig jaar geleden gemunt door de Amerikaanse politicoloog Morton Grodzins. Hij constateerde in 1957 hoe witte wijken in korte tijd van kleur konden verschieten. Als er een bepaald percentage zwarte mensen was komen te wonen, was het tipping point bereikt en kwam er een witte uittocht op gang.

Hoewel iedereen begreep wat Grodzins bedoelde, leidde het begrip decennialang een sluimerend bestaan. Totdat de journalist Malcolm Gladwell in 2000 al die op zich bekende fenomenen samenvatte in een boek dat hij de titel 'The Tipping Point' meegaf. "Dat boek was zelf ook een kantelpunt", vertelde Scheffer. "Sindsdien kom je het woord jaarlijks in honderden publicaties tegen."

Het is een containerbegrip, licht hij desgevraagd toe. Het onderliggende proces is iedere keer anders, net als de wiskunde waarmee je het geheel kunt beschrijven, maar het principe is telkens hetzelfde. Een systeem in evenwicht weet verstoringen meestal wel op te vangen. IJskappen groeien na een periode van smelt weer aan, een gezond tropisch bos herstelt van een brand. Maar soms bevindt zo'n systeem zich in de buurt van een tweesprong en drijft een klein zetje het geheel juist weg van dat evenwicht. "Kenmerkend daarvoor is de zogeheten positieve terugkoppeling", zegt Scheffer. "In dat woord 'positief' zit geen waardeoordeel, maar het geeft slechts aan dat de systeemkrachten de verstoring versterken."

Wiskundig is dat eenvoudig te modelleren, het zijn meestal balletjes op de top van een heuvel - hooguit liggen ze in een klein kuiltje in die top waar ze makkelijk uit te duwen zijn. Maar ja, zegt hij, de werkelijkheid is veel rommeliger dan zo'n zuiver wiskundig model. Zo staat dat kuiltje voor de - afnemende - veerkracht van het systeem; zie dat in het echt maar eens te ontdekken. Scheffer: "Het interessante is niet dat laatste zetje zelf, maar de vraag hoe dat kuiltje kon ontstaan. Hoe het systeem spanning heeft opgebouwd of veerkracht heeft verloren."

Het is ook lastig onderzoeken. Het smelten van gletsjers is een proces van eeuwen, van millennia. Als de Groenlandse ijskap zich al in die richting beweegt, neem je die koerswijziging in de tijdspanne van een mensenleven niet waar. En de kantelpunten zijn ook niet makkelijk te vinden in de modellen van het IPCC, het klimaatbureau van de VN. "De voorspellingen van het IPCC zijn gebaseerd op ensembles, op het gemiddelde van een groot aantal modelstudies. Dat maakt de voorspellingen betrouwbaarder. Het gevolg is wel: hoewel bijna elke modelstudie an sich zulke kantelpunten voorziet, verdwijnen ze in die middeling."

In zijn eigen vakgebied kon hij het wel onderzoeken. Scheffer is eigenlijk hoogleraar aquatische ecologie en heeft bijvoorbeeld de vertroebeling van Veluwemeren bestudeerd. In een gezond meer houden waterplanten het water helder, vertelt hij. In een samenspel met vissen en watervlooien houden ze de algengroei in toom. Maar als er te veel voedingsstoffen - lees: mest - in het water komen, krijgen ze het lastig. De algen vertroebelen het water, wat slecht is voor vlooien en planten. Op een gegeven moment wordt een kritische grens overschreden: de planten en vlooien sterven af en de algen krijgen vrij spel. "Het mestoverschot is de echte oorzaak, maar de trigger is vaak een toevalligheid. Een storm die afval in het meer blaast. Of bij wijze van spreken een vogelpoepje. Voor het resultaat maakt het niet uit. In korte tijd is het meer troebel, een toestand die zich nauwelijks laat omkeren. De planten groeien immers niet in de duisternis van het troebele water."

Deze studies leerden hem het patroon te herkennen dat aan een kantelpunt voorafgaat. Het systeem reageert trager op verstoringen. De frequentie waarmee het om zijn evenwichtstoestand slingert, wordt lager, de uitwijking wordt groter. Eigenlijk net zoals het balletje trager terug rolt als het kuiltje ondieper wordt.

Zoals gezegd, als je er midden in zit, is zo'n patroonverandering lastig te zien. Maar in reconstructies van het prehistorische klimaat komen ze wel naar voren. Hij laat grafieken zien van graadmeters voor het klimaat, zo'n dertig, veertig miljoen jaar geleden, toen de aarde van een warme fase overging naar een veel koelere toestand. Het klimaat herstelde zich toen steeds trager van verstoringen. Dat proces bereikte 34 miljoen jaar geleden een climax. Precies het moment waarop de ijskap van Antarctica ontstond.

Dat brengt hem erop dat de aarde zich de laatste miljoenen jaren in een cyclus van ijstijden bevindt. Glaciale periodes worden afgewisseld met ijsvrije, interglacialen. "We zitten nu al 10.000 jaar in zo'n interglaciaal. Eigenlijk hadden we weer op weg moeten zijn naar een volgende ijstijd, maar die afslag hebben we vorige eeuw gemist. Met dank aan het broeikaseffect. De volgende kans op een ijstijd is pas over 50.000 jaar."

Een afslag gemist?

"Onze grote zorg nu is dat we dreigen af te koersen op een warme, ijsvrije wereld. We staan nu op een kruispunt voor die twee uitersten. Het gaat nog wel duizenden jaren duren voordat we er zijn, maar de richting wordt de komende decennia bepaald. Het is een heel smal, wankel richeltje waar we op staan."

Permafrost

Het is een van de tijdbommen onder het klimaat: het methaan dat ligt opgeslagen in de permafrost van Siberië. In het rampscenario ontdooien de toendra's, waardoor er meertjes ontstaan, met als gevolg dat het leven in de aardbodem wordt afgesloten van zuurstof. Daardoor zullen de bacteriën bij de afbraak van het plantenmateriaal geen CO2 produceren, maar methaan, een veel krachtiger broeikasgas. Het is een proces dat zichzelf versterkt: meer opwarming geeft meer meertjes die op hun beurt voor meer opwarmend methaan zorgen.

Dat lijkt mee te vallen, liet Han Dolman zien tijdens de KNAW-bijeenkomst over kantelpunten. Er ontstaan wel meren, maar die vloeien samen en lopen dan weer leeg in de bodem. "Er lijkt een natuurlijk maximum aan te bestaan", vertelde de hoogleraar ecohydrologie aan de VU. "Er zijn negatieve terugkoppelingen. Er is een maximum aan meren, en ze groeien dicht. Daardoor voorspellen de modellen dat de uitstoot aan methaan een factor tien lager blijft dan eerder gedacht."

Gletsjers

Een gletsjer is opgebouwd uit vele dunne laagjes sneeuw, die langzaam worden samengeperst tot een dik pak ijs. Daar zijn allemaal luchtbelletjes in opgesloten en die vormen een buffer voor het ijs. Als de toplaag smelt, zakt het water de gletsjer in waar het de gaatjes met lucht vult. En weer bevriest.

Bij sommige gletsjers is die laag - de firn - verzadigd en vreet het smeltwater zich een weg door de ijskap. Dat versnelt de afbraak. En daar zijn twee fases in te onderscheiden. Eerst gebeurt het met de ijsplaten, de delen van de gletsjer die in de omringende zee hangen. Van de grote ijskappen op aarde bevindt die van West-Antarctica zich nu in deze fase. De afgelopen 25 jaar zijn daar grote stukken afgebroken, samen goed voor twee biljoen ton ijs. Volgens Michiel van den Broeke, hoogleraar polaire meteorologie van de Universiteit Utrecht, zal deze ijskap in de komende eeuwen verdwijnen waardoor de zeespiegel drie meter stijgt.

Groenland is die fase al voorbij. Daar heeft het ijs zich teruggetrokken op het land. Sommige van die ijskappen zijn ook al verzadigd, waardoor het smeltwater niet meer wordt tegengehouden. Groenland verliest zo jaarlijks 300 miljoen kubieke meter ijs. De komende vijf jaar moet blijken of het volgende kantelpunt wordt bereikt en de gehele ijsmassa - goed voor zeven meter zeespiegelstijging - op termijn gaat verdwijnen.

Oost-Antarctica, de grootste ijskap, leek altijd veilig, maar begint nu aan de randen af te kalven. Ook hier moet de komende vijf jaar blijken of Oost-Antarctica het kantelpunt bereikt dat de westelijke kap al heeft overschreden. En zich terugtrekt op het land. De hele oostelijke ijskap is goed voor 53 meter zeespiegelstijging.

klimaatonderzoek

Een groot deel van het klimaatonderzoek in Nederland is gebundeld in het NESSC (Netherlands Earth System Science Center). Wetenschappers van vijf universiteiten of instituten en afkomstig uit de aardwetenschappen en de ecologie, maar ook de wis- en natuurkunde, proberen klimaatveranderingen uit het verleden te begrijpen en voorspellingen voor de komende eeuw te doen.

Het NESSC heeft ook een project opgezet voor het onderwijs. Leerlingen uit de bovenbouw van vwo en havo kunnen net als hun docenten gebruikmaken van de site tippingpointahead.nl, die bestaat uit filmpjes van en interviews met jonge wetenschappers. De site geeft ook informatie over hun onderzoek aan schuivende gletsjers en dooiende permafrost, aan het (vroegere) zoutgehalte van de zeeën of de (toenemende) kans op bosbranden.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden