Klimaatwetenschappen, Risico’s en Oplossingen PDF

Klimaatwetenschappen, Risico’s en Oplossingen + Klimaatkennis voor iedereen +plus extra (voor de expert…) Een Nederlandse vertaling van Emanuel, Kerry A. Climate Science, Risk & Solutions. Massachusetts Institute of Technology, 15 May...

Klimaatwetenschappen, Risico’s en Oplossingen + Klimaatkennis voor iedereen +plus extra (voor de expert…) Een Nederlandse vertaling van Emanuel, Kerry A. Climate Science, Risk & Solutions. Massachusetts Institute of Technology, 15 May 2020: https://climateprimer.mit.edu/climate-science-risk-solutions.pdf Door Cynthia Maan Augustus, 2024 + extra klimatologie op basis van materiaal van John van Boxel, wie het vak ‘Klimaatverandering en Zeespiegelstijging’ jarenlang aan de UvA heeft onderwezen. Deze publicatie, met uitzondering van het deel ‘De Klimaat Expert’ valt onder de licentie Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International license (CC BY-NCSA 4.0). 1 Inhoudsopgave Voorwoord......................................................................................................................................................6 Introductie......................................................................................................................................................8 Een aantekening over de wetenschappelijke methode..............................................................................8 1. Een korte geschiedenis van de klimaatwetenschap.............................................................................12 2. Het broeikaseffect en wij......................................................................................................................14 2.1 Hoe het werkt.....................................................................................................................................14 2.2 Onze atmosfeer...................................................................................................................................14 Waterdamp...........................................................................................................................................15 Koolstofdioxide.....................................................................................................................................16 2.3 De impact van verhoogde CO2............................................................................................................17 3. Het meten van temperaturen in het verleden.....................................................................................20 3.1 Historische temperaturen...................................................................................................................20 3.2 Pre-historische metingen....................................................................................................................21 Zuurstofisotopen...................................................................................................................................22 Waterstofisotopen................................................................................................................................22 4. Het klimaat veranderd altijd.................................................................................................................28 5. In hoeverre is de CO2 toename natuurlijk?...........................................................................................30 6. Het klimaat voorspellen........................................................................................................................32 6.1 Wat zijn klimaatmodellen?.................................................................................................................32 6.2 Onzekerheid........................................................................................................................................33 6.3 Omgaan met onzekerheid............................................................................................................35 6.4 Wat de modellen zeggen.............................................................................................................37 7 Het risico begrijpen...............................................................................................................................42 8 Wat zijn de risico’s?..............................................................................................................................46 8.1 Zeespiegelstijging................................................................................................................................46 8.2 Hitte en vochtigheid............................................................................................................................47 8.3 Intense stormen..................................................................................................................................48 8.4 Verzuring van de Oceaan....................................................................................................................49 8.5 Voedsel en water................................................................................................................................50 9 Hoe lang kunnen we nog wachten?......................................................................................................52 10 Wat kunnen we doen?.....................................................................................................................54 10.1 Emissies reduceren...........................................................................................................................54 10.2 De koolstof verwijderen....................................................................................................................56 2  10.3 Adaptatie..........................................................................................................................................56 10.4 Geoengineering.................................................................................................................................57 11 De belangrijkste conclusie................................................................................................................60 Hoofdstuk E.1. De Atmosfeer.......................................................................................................................64 1.1 De leefomgeving.............................................................................................................................64 1.2 Samenstelling van de lucht.............................................................................................................65 1.3 Het ontstaan en de ontwikkeling van de dampkring......................................................................69 1.4 De luchtdruk....................................................................................................................................71 1.5 Verandering van de luchtdruk met de hoogte................................................................................72 1.6 De temperatuur en de lagen in de atmosfeer...............................................................................74 1.7 Ruimtelijke variabiliteit van de temperatuur..................................................................................75 Hoofdstuk E.2. Energieoverdracht door Straling..........................................................................................77 2.1 Zonnestraling..................................................................................................................................77 2.2 Eigenschappen van straling.............................................................................................................80 2.3 Kortgolvige straling (afkomstig van de zon)....................................................................................81 2.4 Langgolvige straling.........................................................................................................................85 2.5 Netto straling..................................................................................................................................87 Hoofdstuk E.3. Warmtetransporten en energiebalans.................................................................................91 3.1 De bodemwarmtestroom (B)..........................................................................................................92 3.2 De warmtestroom in water.............................................................................................................94 3.3 De voelbare warmtestroom............................................................................................................96 3.4 De latente warmtestroom..............................................................................................................97 3.5 De gemiddelde jaarlijkse warmtebalans van het aardoppervlak....................................................98 3.6 De kringloop van het water..........................................................................................................100 Hoofdstuk E.4. Adiabatische Processen en het Verticale Evenwicht..........................................................103 4.1 De impact van lucht (in)stabiliteit en adiabatische processen.....................................................103 4.2 Adiabatische processen................................................................................................................104 4.3 De toestandskromme...................................................................................................................106 4.4 Evenwichtstoestanden in droge lucht..........................................................................................106 4.5 Evenwichtstoestanden in verzadigde lucht..................................................................................107 4.6 Veranderingen in het verticale evenwicht....................................................................................107 Hoofdstuk E.5. Wolken en Neerslag...........................................................................................................112 5.1 Processen die leiden tot wolkvorming..........................................................................................113 5.2 Wolkengeslachten.........................................................................................................................115 5.3 De vorming van neerslag..............................................................................................................117 3 Hoofdstuk E.6. Luchtdruk en Wind.............................................................................................................120 6.1 Isobarenpatronen.........................................................................................................................121 6.2 Het krachtenveld...........................................................................................................................122 6.3 De wind.........................................................................................................................................125 6.4 Luchtbewegingen rond hoge- en lagedrukgebieden....................................................................127 Hoofdstuk E.7. Het Ontstaan van Luchtdruksystemen...............................................................................130 7.1 Thermisch bepaalde luchtdruksystemen......................................................................................134 7.2 Hydrodynamisch bepaalde luchtdruksystemen............................................................................135 Hoofdstuk E.8. De Algemene Circulatie......................................................................................................140 8.1 De Hadleycel in de tropen.............................................................................................................141 8.2 De Ferrelcel op de gematigde breedten.......................................................................................141 8.3 De polaire circulatiecel.................................................................................................................141 Hoofdstuk E.9. De Luchtcirculatie in de Tropen.........................................................................................143 9.1 De Hadley-circulatie......................................................................................................................144 9.2 Equatoriale westenwinden...........................................................................................................146 9.3 De moesson..................................................................................................................................146 9.4 Tropische storingen en orkanen...................................................................................................147 9.5 De Walkercirculatie en El Niño.....................................................................................................148 Hoofdstuk E.10. Luchtcirculatie op de Gematigde Breedten.....................................................................152 10.1 Luchtsoorten...............................................................................................................................153 10.2 Fronten........................................................................................................................................155 10.3 Het polaire front en de polaire front straalstroom.....................................................................158 10.4 De lange golven in de westelijke stroming op grotere hoogte...................................................159 10.5 Frontale depressies.....................................................................................................................162 10.6 De belangrijkste depressiebanen................................................................................................163 Hoofdstuk E.11. Invloed van de Geografische Factor op het Klimaat........................................................165 11.1 Klimaatgordels............................................................................................................................166 11.2 De zeeën en het klimaat.............................................................................................................167 11.3 Invloed van de land-zeeverdeling...............................................................................................170 11.4 De rol van de topografie en de hoogte.......................................................................................172 11.5 De verdeling van de neerslag over de aarde..............................................................................174 Hoofdstuk E.12. Karakterisering van Klimaten en Klimaatindelingen........................................................176 12.1 Klimaatdiagrammen van Walter.................................................................................................176 12.2 De macroklimaten volgens het systeem van Köppen.................................................................179 12.3 De hoofdklimaten volgens Köppen en de klimaatzones.............................................................182 4 Literatuurverwijzingen...............................................................................................................................186 5 Voorwoord We hoeven niet lang te zoeken naar persberichten over klimaatverandering. De aarde warmt op, de ijskappen smelten, de zeespiegel stijgt. Wereldwijd volgen (plaatselijke) weerrecords -met name in extreem hoge temperaturen, enorme hoeveelheden neerslag en aanhoudende droogte - zich in recordtempo op. De records in extreem koude temperaturen zijn juist oud en blijven staan. Deze trends laten zich alleen maar verklaren en berekenen door de toename van broeikasgassen in de atmosfeer, veroorzaakt door de menselijke verbranding van fossiele brandstoffen. De veranderingen in temperatuur, neerslag en de zeespiegel hebben grote consequenties voor de natuur en de mens. Maar hoewel de noodzaak van het stoppen met de verbranding van fossiele brandstoffen duidelijk is, blijkt het moeilijk om wereldwijd de handen ineen te slaan en de oorzaken van klimaatverandering aan te pakken. Wie is verantwoordelijk en hoe verdelen we de lasten rechtvaardig? Hier spreken we aan het eind van dit vak nog even over. Maar om deze politieke en ethische discussies goed te kunnen voeren, en verschillende belangen tegen elkaar af te kunnen wegen, moeten we het klimaatsysteem en de consequenties van klimaatverandering voor de natuur en de mens goed begrijpen. We zullen ons in dit college verdiepen in de werking van het klimaatsysteem, en bekijken wat voor effecten het versterkt broeikaseffect heeft op ons klimaat. Hierbij zullen we gebruiken maken van deze Reader ‘Klimaatwetenschappen, Risico’s en Oplossingen +’, een samenstelling van de Nederlandse vertaling van ‘Climate Science, Risk & Solutions’ , een Reader over Klimatologie door John van Boxel , en aanvullingen uit de IPCC rapporten. Ik wens je veel (lees)plezier en succes in deze cursus. Cynthia Maan 15-08-2024 Emanuel, Kerry A. Climate Science, Risk & Solutions. Massachusetts Institute of Technology, 22 March 2024: https://climateprimer.mit.edu/climate-science-risk-solutions.pdf J. van Boxel, Reader Inleiding Klimatologie, 2021 : - Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the IPCC Sixth Assessment Report - Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Working Group II Contribution to the IPCC Sixth Assessment Report - Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Working Group III Contribution to the IPCC Sixth Assessment Report 6 7  Introductie Meer dan 99% van de klimatologen wijzen de stijging van de globale temperatuur in de afgelopen 30-40 jaar toe aan de broeikasgassen die mensen sinds het begin van de industriële revolutie in de 18e eeuw aan de atmosfeer hebben toegevoegd. De overgrote meerderheid van deze wetenschappers is het erover eens dat als deze opwarming doorgaat, het aanzienlijke risico's met zich meebrengt voor de mensheid en al het leven op aarde : voor onze steden en dorpen, onze water- en voedselvoorziening, en onze gezondheid. Hoe weten we dat deze opwarming plaatsvindt en dat deze door mensen wordt veroorzaakt? Hoe sterk is het bewijs? Welke risico's kunnen we verwachten en wat kunnen we daaraan doen? Een aantekening over de wetenschappelijke methode Eenvoudig gezegd is wetenschap de zoektocht naar objectieve waarheid en gaat uit van de veronderstelling dat er een objectief universum bestaat buiten de menselijke geest. Wetenschappelijk onderzoek wordt voornamelijk gedreven door een aangeboren nieuwsgierigheid over hoe de natuur werkt; wetenschappers houden oprecht van wat ze doen en zijn gedreven door ontdekkingen. Soms begint vooruitgang met een observatie die niet binnen het bestaande wetenschappelijke kader past. Wetenschappers proberen dan de observatie te herhalen en te verbeteren om vast te stellen of het werkelijk een uitschieter is. Vervolgens kunnen ze een of meer hypothesen formuleren om de observatie te verklaren, en als een hypothese erin slaagt niet alleen die observatie te verklaren, maar ook andere, en vooral als het succesvol voorspelt wat nog niet is waargenomen, kan de hypothese de status van een theorie bereiken. In de wetenschap verwijst een theorie naar een principe of set van principes die overtuigend goed zijn onderbouwd. Het is daarom meestal niet redelijk om te zeggen dat iets "slechts een theorie" is in de wetenschap. (Het is echter niet onredelijk om te zeggen dat een idee "slechts een hypothese" is.) Als de theorie van de algemene relativiteit "slechts een theorie" was, zou niemands GPS werken. Wetenschappers verwijzen zelden naar "feiten" of spreken over iets dat definitief is. Van nature zijn we sceptisch, en een goede manier voor een jonge wetenschapper om vooruitgang te boeken, is door een algemeen aanvaard principe omver te werpen of aanzienlijk te modificeren. Maar goed aanvaarde theorieën worden zelden volledig verworpen; ze worden veel waarschijnlijker subtiel gemodificeerd. Bijvoorbeeld, de wet van Newton over beweging werd niet echt omvergeworpen door de theorie van relativiteit van Einstein; deze werd gemodificeerd om nog preciezer te zijn. In de klimaatwetenschap is het woord scepticus enige tijd geleden gekaapt om iemand aan te duiden die, verre van sceptisch, er vrij zeker van is dat we geen aanzienlijke risico's lopen door klimaatverandering. De overgrote meerderheid van de klimaatwetenschappers, zoals alle wetenschappers, zijn sceptisch in de werkelijke betekenis van het woord. Wetenschap is een diep conservatieve onderneming: we hanteren hoge standaarden voor de reproduceerbaarheid van observaties en experimenten, en voor het detecteren van signalen in een luidruchtige achtergrond. De meesten van ons zijn zorgvuldig in het kwantificeren van onzekerheid als een kwestie van intellectuele eerlijkheid. Bijvoorbeeld, wanneer een meteoroloog zegt dat er 70% kans op regen is morgen, komt die waarschijnlijkheid niet uit de lucht vallen, maar is die gebaseerd op een reeks objectieve richtlijnen. Cynici gebruiken vaak de onzekerheid van voorspellingen om te beweren dat mensen die verwachtingen maken niet weten waar ze het over hebben, maar de meesten van ons accepteren het als een eerlijke beoordeling van de mate van onzekerheid. In de wetenschap moet onzekerheid nooit worden verward met onwetendheid. 8 Tenslotte is conservatief zijn over risico heel anders dan conservatief zijn over het accepteren van theorieën en observaties. Een onverstandig persoon zal wedden op de grote kans dat zijn of haar huis niet zal afbranden. Een conservatief persoon koopt een verzekering. Risicobeoordeling is ook een wetenschap, en de economie van risico's vereist dat we de waarschijnlijkheid van iets dat gebeurt combineren met de kosten ervan om tot een waarheidsgetrouw beeld van het risico te komen. 9  Klimaatwetenschap 10 11  1. Een korte geschiedenis van de klimaatwetenschap De klimaatwetenschappen is geen nieuw vakgebied. Al in het midden van de negentiende eeuw was het algemeen bekend dat een handjevol gassen die minder dan 1% van de lucht uitmaken, straling van de zon en de aarde absorberen en een deel ervan terug stralen naar de aarde. We weten nu dat zonder deze gassen de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de planeet ver onder het vriespunt zou liggen en (menselijk) leven niet zou bestaan. Hoe bestudeerden deze vroege wetenschappers dit? Wat beïnvloedt ons klimaat nog meer, en wat heeft dat te maken met de huidige opwarming? De vooruitgang in klimaatwetenschap dateert van meer dan 200 jaar geleden. Halverwege de 19e eeuw begrepen wetenschappers dat de aarde wordt verwarmd door zonlicht en oneindig zou blijven opwarmen tenzij er een manier was om energie kwijt te raken. Ze wisten dat alle objecten energie uitstralen en dat de aarde dit doet in de vorm van infraroodstraling. Infraroodstraling is een vorm van licht, maar met langere golflengtes dan zichtbaar is voor het menselijk oog. Het kan echter worden gemeten door instrumenten, waaronder infraroodbrillen die soldaten gebruiken om in het donker te "zien". Hoe heter het object, hoe meer straling het uitzendt, en hoe korter de golflengte van de uitgezonden straling is. De oppervlaktetemperatuur van de zon is ongeveer 6.000°C en het straalt voornamelijk zichtbaar licht uit, terwijl de `effectieve uitstralingstemperatuur’ van de aarde bij -18°C ligt (zoals je straks zult lezen, komt veel van deze straling van hogere lagen in de atmosfeer, waardoor de ‘effectieve uitstralingstemperatuur’ lager ligt dan de oppervlakte temperatuur van de aarde). De aarde zendt dus veel minder straling uit dan de zon, en met een veel langere (infrarode) golflengte. Dat warmere oppervlakken meer straling uitzenden dan koudere oppervlakken ontdekte de Franse wiskundige en natuurkundige Jean Baptiste Fourier al in 1820. Hij berekende vervolgens hoe warm het aardoppervlak moest zijn om net zoveel straling uit te zenden als het van de zon ontvangt, zodat de temperatuur van de planeet niet zou stijgen of dalen in de tijd. Hij ontdekte dat zijn schatting veel kouder was dan de waargenomen oppervlaktetemperatuur. Hij redeneerde dat de atmosfeer een deel van de infraroodstraling van het aardoppervlak moest absorberen en een deel ervan terug naar het oppervlak moest uitstralen, waardoor het werd verwarmd. Maar hij had niet genoeg informatie over de atmosfeer om dit idee te testen. Het was aan de Ierse natuurkundige John Tyndall om dat probleem op te lossen. Hij gebruikte een experimenteel apparaat van eigen ontwerp om zorgvuldig de absorptie van infraroodstraling te meten terwijl het door een lange buis gevuld met verschillende gassen ging. Zijn metingen verbaasden hem en de hele wetenschappelijke gemeenschap in het midden van de 19e eeuw. Tyndall ontdekte dat de belangrijkste bestanddelen van onze atmosfeer—zuurstof en stikstof, die samen ongeveer 98% van de lucht uitmaken—praktisch geen effect hebben op de doorgang van zowel zichtbaar als infrarood licht. Maar een paar gassen die hij testte, met name waterdamp, kooldioxide en lachgas, absorberen sterk infraroodstraling, en waterdamp absorbeert ook enig zichtbaar licht. Deze gassen worden "broeikasgassen" genoemd omdat ze, net als de kassen die we gebruiken om planten te kweken, warmte vasthouden (hoewel de manier waarop ze dat doen heel anders is dan de daadwerkelijke manier waarop kassen werken). Tyndall's ontdekking was geheel gebaseerd op zorgvuldige laboratoriumexperimenten en metingen. De fundamentele fysica van de absorptie en emissie van straling door materie zou theoretisch pas begrepen worden met de ontwikkeling van de kwantummechanica in het begin van de 20e eeuw. Volgens deze fysica hebben symmetrische moleculen met slechts twee atomen—stikstof (N2) en zuurstof (O2), bijvoorbeeld—nauwelijks interactie met straling, terwijl complexere moleculen zoals waterdamp (H 2O— 12 twee waterstofatomen en één zuurstofatoom) en kooldioxide (CO2—één koolstofatoom en twee zuurstofatomen) lichtfotonen veel sterker absorberen en weer uitstralen. 1824: Jean Baptiste Fourier berekende dat de gemiddelde temperatuur van de aarde veel kouder zou moeten zijn dan waargenomen. Hij beredeneerde dat de atmosfeer infrarode straling van de aarde moet absorberen en terug moet uitstralen naar het oppervlak van de planeet. 1856: Eunice Foote werd de eerste die suggereerde dat variaties in de atmosferische koolstofdioxidegehalte verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor vroegere variaties in het klimaat. 1859: John Tyndall bewees dat waterdamp, koolstofdioxide en lachgas (1% van onze atmosfeer) sterk infrarode straling absorberen. 1896: Arrhenius publiceerde een paper waarin hij voorspelde dat als we ooit de concentratie van CO2 zouden verdubbelen, de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de planeet met 5 tot 6°C zou stijgen, dit stelde hij in 1908 naar beneden bij naar 4°C. 1930: Milutin Milanković koppelde ijstijd cycli aan de orbitale periodes van de aarde. 1938: De eerste waargenomen connectie tussen de opwarming van de aarde en CO2-niveaus werd gemaakt door Guy Callendar. 1958: Charles Keeling begint systematische gegevensverzameling van atmosferische kooldioxide concetraties bij het Mauna Loa Observatorium in Hawaii. 13  2. Het broeikaseffect en wij 2.1 Hoe het werkt. Hoe verwarmt de absorptie en uitstoot van infrarode straling door de atmosfeer de planeet? Wanneer de broeikasgassen (en wolken, die ook zo’n broeikaseffect hebben) infrarode straling absorberen, moeten ze straling opnieuw uitzenden, anders zou de temperatuur van de atmosfeer oneindig toenemen. Deze her- uitstraling gebeurt in alle richtingen, zodat de helft van de straling breed naar beneden en de helft breed naar boven wordt uitgezonden. Het naar beneden gerichte gedeelte, wat we atmosferische tegenstraling noemen, wordt geabsorbeerd door het Het aardoppervlak ontvangt bijna twee aardoppervlak of lagere delen van de keer zoveel straling van de atmosfeer als atmosfeer. Zo ontvangt het aardoppervlak rechtstreeks van de zon. Dit komt in feite stralingsenergie van twee bronnen: gedeeltelijk doordat de atmosfeer 24/7 de directe straling van de zon en de straalt, terwijl de zon slechts een deel van tegenstraling van de broeikasgassen en de tijd schijnt. wolken in de atmosfeer, zoals geïllustreerd in Figuur 1. Her-uitstraling (infrarood) Figuur 1: Het aardoppervlak Her-uitstraling/Atmosferische ontvangt straling van Kortgolvige Straling tegenstraling (infrarood) straling oppervlak zowel de zon als de broeikasgassen en wolken in de atmosfeer. Aardoppervlak Figuur 1 Hoe warmer een oppervlak, hoe meer straling het uitstraalt. Het aardoppervlak moet warm genoeg worden om voldoende warmte te verliezen om zowel zonlicht als de tegenstraling van de atmosfeer (en wolken) in evenwicht te brengen. Dat is het broeikaseffect. (Hier kan worden opgemerkt dat niets uit deze paragraaf controversieel is onder wetenschappers, zelfs niet die paar die sceptisch staan tegenover de opwarming van de aarde.) 2.2 Onze atmosfeer. Niet alle broeikasgassen zijn hetzelfde. Het sterkste broeikasgas in ons klimaatsysteem, vanwege de relatief hoge concentraties, is waterdamp, dat kan variëren van bijna niets tot wel 3% van het luchtvolume. Ook gecondenseerd water (wolken) absorbeert en straalt sterk straling uit (en reflecteert daarnaast ook zonlicht). Na water heeft koolstofdioxide het grootste effect op de 14 oppervlaktetemperatuur, gevolgd door methaan en distikstofoxide, en een handvol andere gassen waarvan de concentraties heel minimaal zijn. Waterdamp Water wordt voortdurend uitgewisseld tussen de atmosfeer en het aardoppervlak door verdamping en neerslag. Dit proces verloopt zo snel dat een watermolecuul gemiddeld slechts ongeveer twee weken in de atmosfeer verblijft. De temperatuur van de lucht bepaalt hoeveel waterdamp het kan vasthouden: warmere lucht kan meer damp bevatten, terwijl koudere lucht minder kan vasthouden. Er is vaak minder waterdamp in de lucht dan er zou kunnen zijn, omdat (1) regen en sneeuw water uit de lucht verwijderen, en (2) tevens boven land de bronnen van vloeibaar water om te verdampen beperkt kunnen zijn. De verhouding van de daadwerkelijke hoeveelheid vocht in de lucht tot zijn bovengrens (dat wat de lucht maximum aan waterdamp zou kunnen bevatten) is wat we relatieve vochtigheid noemen. Waterdamp resulteert in de belangrijkste positieve terugkoppeling in het klimaatsysteem Figuur 2 Hoewel de relatieve vochtigheid sterk varieert, laten metingen zien dat het lange termijn gemiddelde relatief stabiel is, dus bij benadering verandert de daadwerkelijke hoeveelheid water in de atmosfeer parallel met zijn bovengrens, en dus met de temperatuur. Dus, als de temperatuur stijgt, neemt de hoeveelheid waterdamp toe. Maar aangezien waterdamp een broeikasgas is, leidt stijgende waterdamp tot meer atmosferische tegenstraling naar het oppervlak, wat op zijn beurt leidt tot hogere temperaturen. We noemen dit proces een positieve terugkoppeling. Waterdamp wordt beschouwd als de belangrijkste positieve terugkoppeling in het klimaatsysteem. (Het is hier belangrijk om een onderscheid te maken tussen een "terugkoppeling" en een "forcering." Wanneer we over klimaat praten, is een "terugkoppeling" een proces dat sterk reageert op het klimaat zelf, terwijl een "forcering," zoals veranderende zonnestraling, menselijke uitstoot van CO2, of vulkanen, niet wordt beïnvloed door het klimaat zelf, althans niet op de tijdschalen van belang bij het probleem van de opwarming van de aarde.) 15 Koolstofdioxide Aan het andere uiterste qua atmosferische levensduur staat kooldioxide. In het natuurlijke klimaatsysteem wordt kooldioxide uitgestoten door vulkanen, ontgassing van oceanen, afbraak van biomassa, bosbranden en dieren. Het wordt geabsorbeerd door biologische en fysische processen die uiteindelijk de koolstof opnemen in carbonaatgesteenten zoals kalksteen. Op geologische tijdschalen worden deze carbonaatgesteenten naar het aardmantel geduwd op convergente grenzen, waar de ene tektonische plaat onder de andere schuift, en de koolstof uiteindelijk terug in de atmosfeer vrijkomt als kooldioxide via vulkanen of wanneer het gesteente opnieuw wordt blootgesteld aan lucht en verwering. Deze cyclus duurt tientallen tot honderden miljoenen jaren. Maar CO2 cirkelt ook door de atmosfeer, oceaan en landplanten op tijdschaal van honderden jaren. Tijdschaal waarop overtollig gas de atmosfeer verlaat Het duurt langer voordat sommige gassen de atmosfeer verlaten. Dit is waarom kooldioxide zo'n sterke Koolstofdioxide invloed heeft op het Waterdamp klimaat. 2 weken Duizenden jaren Figuur 3 Waterdamp en kooldioxide (CO2) dragen beide bij aan het broeikaseffect, maar CO2 heeft een belangrijke invloed op klimaatverandering omdat CO2 lange tijd in de atmosfeer blijft. Als we de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer (op een magische manier) zouden verdubbelen, zou het overtollige water in ongeveer twee weken uitregenen en sneeuwen in oceanen, ijskappen, rivieren, meren en grondwater. Omdat waterdamp de atmosfeer zo snel verlaat, heeft de impuls van damp niet zo'n langdurig opwarmend effect. Maar als we de concentratie van CO2 plotseling zouden verhogen, zou het ongeveer 100 jaar duren voordat ongeveer de helft ervan terugkeert naar planten en de oceaan. De andere helft? Duizenden jaren. Daarom hebben langlevende broeikasgassen zoals kooldioxide een belangrijke invloed op het klimaat van de aarde. 16 2.3 De impact van verhoogde CO2 Het grootste deel van het voorgaande, met uitzondering van de details van de processen die de atmosferische CO2 regelen, werd begrepen tegen het einde van de 19e eeuw. In het bijzonder begreep de Zweedse chemicus en Nobelprijswinnaar Svante Arrhenius het effect van broeikasgassen op het klimaat, en dat CO2 het belangrijkste langlevende broeikasgas is. Hij begreep ook dat we als gevolg van industriële processen begonnen waren grote hoeveelheden CO2 in de atmosfeer uit te stoten, en was de eerste die zich zorgen maakte dat we door de lange verblijfstijd van CO2 in de atmosfeer de concentratie ervan merkbaar zouden verhogen. (Lang voordat Arrhenius leefde, speculeerde Eunice Foote dat eerdere variaties in CO2 mogelijk een rol hebben gespeeld bij eerdere variaties in het klimaat.) In 1896 publiceerde Arrhenius een paper waarin hij voorspelde dat als we ooit de concentratie van CO 2 zouden weten te verdubbelen, de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de planeet tussen 5 en 6 °C zou stijgen, een schatting die hij in 1908 in een publicatie naar beneden bijstelde naar 4 °C. Arrhenius kwam tot deze getallen door met de hand tot wel 100.000 berekeningen uit te voeren. Hoewel hij enkele onjuiste aannames maakte, compenseerden de resulterende fouten elkaar deels, en opmerkelijk genoeg valt zijn 4 °C binnen het bereik van de meest recente schattingen van 2-5 °C! Arrhenius begreep ook dat de stralingseffecten van CO2 ongeveer logaritmisch zullen toenemen met de concentratie ervan (in plaats van lineair). CO2 verhogen met een factor 8 leidt tot ongeveer drie (in plaats van vier) keer meer opwarming dan het te verdubbelen. De jaarlijkse wereldwijde gemiddelde oppervlakte temperatuur correleert met de CO2-concentratie. Figuur 4 Atmosferische CO2-concentraties en wereldwijde gemiddelde oppervlaktetemperaturen van 1880 tot 2024. Temperatuurgegevens van: NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS). CO2-gegevens, van 1958 tot heden van: National Oceanic and Atmospheric Administration, gemeten bij het Mauna Loa Observatorium. CO2-gegevens van vóór 1958 zijn gereconstrueerd uit ijskernmonsters, met gegevens van: Frank, D.C., et al., “1,000 Year Ensemble Reconstructions of Temperature and CO2,” Nature, 463 (2010). Arrhenius voorspelde dat het toenemende CO2 de planeet zou verwarmen. Hoe heeft zijn voorspelling het gedaan? Figuur 4 toont de atmosferische CO2-concentraties en de gemeten wereldgemiddelde oppervlaktetemperatuur voor de periode van 1880 tot 2024. De CO2-inhoud van de atmosfeer werd rechtstreeks gemeten vanaf 1958. De CO2 concentraties van voor die tijd hebben wetenschappers afgeleid door de CO2 concentraties in gasbellen in ijskernen te meten, zoals we in het volgende hoofdstuk 17 zullen verkennen. In de meetserie volgt de wereldgemiddelde temperatuur over het algemeen de concentratie van CO2, net zoals Arrhenius voorspelde. Maar je zult opmerken in de grafiek dat de gemiddelde temperatuur van de aarde stekelig is; het is geen gladde stijgende lijn zoals de CO2- concentratie. De kortdurende fluctuaties weerspiegelen voornamelijk de natuurlijke, willekeurige variabiliteit van het klimaatsysteem (een voorbeeld hiervan is El Niño), terwijl langdurige fluctuaties meer worden veroorzaakt door fluctuaties in andere invloeden op het klimaat, zoals vulkanen en door de mens veroorzaakte aerosolen. Hoewel we misschien niet elke kleine slingering kunnen verklaren, is het moeilijk te missen dat Figuur 4 grotendeels de voorspelling van meer dan een eeuw geleden, gebaseerd op het begrip van eenvoudige natuurkunde en berekeningen met de hand, bevestigd. Het ligt voor de hand dat er meer opwarming zal optreden als we doorgaan met het verhogen van de concentratie van CO2 in de atmosfeer. Maar houden we onszelf niet voor de gek, zoals klimaatsceptici soms beweren? Het vinden van een correlatie, betekent nog geen oorzaak-gevolg relatie, en misschien is de overeenkomst tussen temperatuur en CO2 toeval - misschien veroorzaakt iets anders de opwarming. Of misschien veroorzaakt de stijgende temperatuur een toename van CO2-concentraties, in plaats van andersom. Hoe nauwkeurig is de curve in Figuur 4 - kunnen we echt de wereldgemiddelde temperatuur meten? Het klimaat verandert altijd, dus wat is er zo bijzonder aan de laatste 100 jaar? Zijn er andere voorspellingen van de klimaatwetenschap die worden bevestigd of tegengesproken door waarnemingen? Dit zijn allemaal legitieme vragen en verdienen serieuze overweging; we zouden terecht geen goede wetenschappers zijn als we onszelf niet voortdurend dergelijke vragen zouden stellen. ‘Kortlevende broeikasgassen’ blijven niet lang in de atmosfeer, waardoor een toename of afname van hun emissies snel invloed heeft op het klimaatsysteem. 18 Figuur 5 Bron: IPCC 6th Assessment Report, Working Group 1 Physical Science Basis, Chapter 6 19  3. Het meten van temperaturen in het verleden 3.1 Historische temperaturen Laten we beginnen met het instrumentele verslag van de wereldwijde gemiddelde oppervlaktetemperatuur. Thermometers werden uitgevonden in de 17e eeuw, maar pas in de 19e eeuw begonnen mensen systematische, kwantitatieve metingen rond de hele wereld te maken. Natuurlijk werden de meeste van deze metingen gedaan vanaf stations op het land, maar het duurde niet lang voordat er ook metingen vanaf schepen werden gedaan, inclusief metingen van de temperatuur van oceaanwater aan en nabij het oppervlak. (Benjamin Franklin ontdekte de Golfstroom door een thermometer in de oceaan te laten zakken vanaf een schip.) De temperatuur van het zeeoppervlak werd routinematig gemeten uit emmers water die uit de zee werden gehaald, en later, vanaf de jaren zestig, door de temperatuur in het water-inlaat van scheepsmotoren te meten. Tegen het einde van de jaren zestig werden deze metingen aangevuld met satellietmetingen van de infraroodstraling die door het zeeoppervlak wordt uitgezonden. Schattingen van de wereldwijde temperatuur van verschillende onderzoeken komen sterk overeen, in de afgelopen jaren nog beter. Figuur 6 Gemiddelde wereldwijde temperatuur over land van 1850 tot 2023, zoals geregistreerd door meerdere onafhankelijke bronnen. De perzik-kleurige curve is afkomstig van het NASA Goddard Institute for Space Studies; de rode van het National Climatic Data Center van NOAA; de paarse van de Climate Research Unit van het Hadley Centre in het Verenigd Koninkrijk; de blauwe van het Copernicus-programma van het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; en de groene van het Berkeley Earth Project van de University of California. Bij het schatten van de wereldwijde gemiddelde temperatuur moet men zorgvuldig rekening houden met de ongelijke verdeling van temperatuurmetingen over de hele wereld, veranderingen in de precieze locatie en instrumenten die worden gebruikt om de temperatuur te meten, de effecten van groeiende stedelijke gebieden die hitte-eilanden creëren die warmer zijn dan het omliggende platteland, en talloze andere kwesties die de wereldwijde gemiddelde temperatuur kunnen vertekenen. Verschillende groepen over de hele wereld hebben deze kwesties op verschillende manieren aangepakt, en hun verschillende resultaten vergelijken (Figuur 6) is een manier om de robuustheid van de temperatuuranalyses te beoordelen. Ondanks verschillen in hun methodologieën en aannames, komen 20 deze gegevens vrij goed overeen na ongeveer 1900 en vooral goed na ongeveer 1950. De steeds betere overeenstemming weerspiegelt de toename in het aantal en de kwaliteit van temperatuurmetingen over de hele planeet. Theorieën en modellen voorspellen dat de lucht boven Verschillende land en op hoge breedtegraden sneller moet opwarmen wetenschappelijke groepen dan boven de oceanen, en dit is inderdaad wat we hebben de meetproblemen waarnemen bij het meten van luchttemperatuur boven op verschillende manieren land en zee. Opwarming van de aarde wordt noch aangepakt, maar hun voorspeld noch waargenomen als zijnde wereldwijd resultaten komen goed met uniform, en er zijn zelfs (enkele) plekken waar de elkaar overeen. Dit geeft temperatuur in de tweede helft van de 20e eeuw is veel vertrouwen in de gedaald, dankzij veranderingen in oceanische circulatie, nauwkeurigheid van deze smeltend zee-ijs en andere processen. De ruimtelijke gegevens. patronen van opwarming van de aarde laten ook duidelijk zien dat deze opwarming niet kan worden verklaard door het stedelijke hitte-eilandeffect. Sommige van de snelst opwarmende gebieden bevinden zich ver van steden, zoals Siberië en Noord-Canada; in feite kan slechts 2%-4% van de totale opwarming van de aarde worden toegeschreven aan verstedelijking. Maar hoe passen deze temperatuur- en CO2-gegevens in de langere termijn veranderingen en natuurlijke klimaatvariabiliteit? Zijn dit soort veranderingen eerder voorgekomen? Kunnen natuurlijke processen de waargenomen toenamen van de afgelopen 100 jaar verklaren? Aangezien we geen goede mondiale temperatuurmetingen hebben van vóór de 19e eeuw, moeten we ons voor de langere termijn wenden tot het fascinerende vakgebied van paleoklimatologie, dat zoekt naar proxies voor klimaatvariabelen in het geologische archief. 3.2 Pre-historische metingen Hoe weten we hoe de aarde eruitzag voordat mensen bestonden? Boomringen, ijskappen en sedimenten op de oceaanbodem onthullen hoe de temperatuur en de ijsbedekking van onze planeet in de loop van honderden duizenden jaren zijn veranderd. Wetenschappers kunnen bijvoorbeeld de prehistorische temperaturen bepalen door diep in het ijs te boren op plaatsen zoals Groenland en Antarctica en de samenstelling van oude sneeuw te analyseren. Evenzo hebben wetenschappers ontdekt dat de schelpen van mariene micro-organismen indicatoren bevatten van hoe zout de oceaan is. Door te kijken naar schelpen die zijn afgebroken en op de oceaanbodem zijn neergedaald, kunnen ze het volume van het ijs op de planeet van duizenden jaren geleden schatten. Er zijn veel verschillende proxies voor het bepalen van historische temperaturen; allemaal hebben ze voordelen en nadelen. Sommige zijn fysiek, zoals de temperatuur van water in diepe boorgaten—water dat lange tijd van het oppervlak geïsoleerd is geweest en een lange temperatuurgeschiedenis weerspiegelt. Sommige zijn biologisch, zoals de breedte en dichtheid van boomringen. Al deze proxies zijn lokaal of op zijn best regionale meetwaarden; er is geen wereldwijde "paleothermometer." Een bijzonder nuttige proxy maakt gebruik van het feit dat ijskappen en zeewater verschillende "smaken" (of isotopen) van water bevatten. Water (H2O) bestaat uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen. 21 Zuurstofisotopen Een standaard zuurstofatoom bestaat uit een kern met 8 protonen en 8 neutronen, omgeven door een sluier van 8 elektronen. Maar sommige zuurstofatomen hebben 9 of 10 neutronen in hun kern. Deze varianten worden isotopen genoemd. Standaard zuurstof, met 8 neutronen, wordt 16O genoemd om het aantal protonen en neutronen aan te duiden, en is verreweg de meest voorkomende isotoop, gevolgd door 18O met 8 protonen en 10 neutronen. Een klein percentage water bevat deze zwaardere zuurstofisotoop, en het blijkt dat de verhouding van de zware tot de lichte isotoop in water een zeer bruikbare meetwaarde is. Oceaanwater heeft een specifieke zuurstofisotoopverhouding. Maar wanneer zeewater verdampt, verdampen de moleculen die de lichtere isotoop bevatten iets sneller dan de moleculen die de zwaardere isotoop bevatten. Dus waterdamp is "lichter" dan zeewater, wat betekent dat de verhouding van zware tot lichte isotopen kleiner is. Evenzo, wanneer de verdampte waterdamp condenseert tot wolken, condenseren de moleculen die uit de zwaardere isotoop bestaan eerst, zodat naarmate de wolk uitregent, de achtergebleven waterdamp steeds "lichter" wordt (net zoals de neerslag die vervolgens gevormd wordt ook steeds “lichter” wordt). Dus hoe verder de waterdamp van zijn bron verwijderd is, hoe "lichter" hij is geworden. Met "verder" bedoelen we eigenlijk "kouder," aangezien de hoeveelheid waterdamp in een wolk snel afneemt naarmate de lucht afkoelt. We kunnen historische temperaturen bepalen aan de hand van ijskernmonsters. Hoe dieper het ijs, hoe ouder de wolk die de sneeuw heeft gevormd. Figuur 7 Waterstofisotopen Op dezelfde manier hebben standaard waterstofatomen in water één proton en geen neutronen, maar enkele atomen hebben één neutron, en er zijn zelfs enkele met twee neutronen. Een waterstofatoom met één neutron wordt deuterium genoemd, en de verhouding deuterium tot normaal waterstof in water kan ook worden gebruikt als een paleothermometer. De isotopenverhoudingen in regen en sneeuw weerspiegelen de temperatuur van de wolk waarin de regen of sneeuw zich heeft gevormd. In plaatsen zoals Groenland en Antarctica hoopt veel van de neervallende sneeuw zich op en wordt geleidelijk samengeperst door het gewicht van de sneeuw erboven, wat uiteindelijk ijs vormt. Het ijs is dus progressief ouder met de diepte in deze ijskappen. Wetenschappers boren naar beneden om stevige cilinders ijs - ijskernen - te verzamelen die ze kunnen analyseren op vele eigenschappen van het ijs, inclusief de isotopen, in functie van de diepte, of equivalent, de leeftijd. De isotopenverhoudingen geven een maat voor de temperatuur van de wolken die oorspronkelijk de sneeuw hebben voortgebracht. Moderne metingen van de isotopenverhoudingen van recente sneeuw laten zien dat ze sterk gecorreleerd zijn met de oppervlakteluchttemperatuur, die op 22 zijn beurt gecorreleerd is met de temperatuur van de wolken erboven. Zo kunnen we de isotopenverhoudingen gebruiken als paleothermometers. Figuur 8 toont het temperatuurrecord afgeleid van twee ijskernen in Antarctica, teruggaand tot 450.000 jaar, evenals van het volume ijs op de planeet. Je vraagt je misschien af hoe we weten hoeveel ijs er op aarde was 450.000 jaar geleden. Als zeewater verdampt, verdampen de lichtere isotopen sneller, en dus hebben ijskappen, die gevormd worden uit gecondenseerde waterdamp, een hogere concentratie lichtere isotopen dan zeewater. Naarmate ijskappen groeien, blijven de zwaardere isotopen achter in de oceaan, en dus neemt de verhouding van zwaardere tot lichtere isotopen in zeewater gestaag toe. Daarom is de isotopische samenstelling van zeewater een maat voor de hoeveelheid landijs op de planeet. Mariene micro- organismen nemen deze isotopische handtekeningen op in hun schelpen, en wanneer ze sterven, zakken sommigen naar de zeebodem, waar ze worden opgenomen in sedimenten. We kunnen deze sedimentkernen analyseren om isotopenverhoudingen te verkrijgen als functie van diepte, en op andere manieren de leeftijd van de sedimenten bepalen. Zo kunnen we een tijdserie krijgen van het mondiale ijsvolume in de tijd. Figuur 8 Historisch gezien neemt het ijsvolume op aarde af als de temperatuur stijgt Temperatuur afgeleid van de deuteriumverhoudingen in twee Antarctische ijskernen (perzikkleurige en groene curven), en ijsvolume afgeleid van de zuurstofisotoopverhoudingen van mariene microfossielen in sedimenten op de oceaanbodem (rode curve). Let op dat de ijsvolumecurve is omgekeerd, zodat hoog aan de onderkant staat en laag bovenaan, om de vergelijking met de temperatuur makkelijker te maken. Je ziet in Figuur 8 dat hoe lager de temperatuur is, des te hoger het volume ijs op de planeet is, en vice versa. Dit is logisch! Dat de twee curven - verkregen uit volledig verschillende bronnen van gegevens - zo goed overeenkomen, zegt veel over de basisbetrouwbaarheid van de gegevens die eraan ten grondslag liggen. 23 Het is duidelijk dat op de tijdschaal van 100.000 jaar de temperatuur cyclisch is. Deze cycli zijn de grote ijstijden en interglaciale perioden, en de rechterrand van Figuur 8 laat zien dat we ons momenteel in een interglaciale periode bevinden. De laatste ijstijd eindigde ongeveer 10.000 jaar geleden - een geologisch oogwenk. De Op een tijdschaal van 100.000 figuur toont ook aan dat de temperatuur in de Antarctische jaar is de temperatuur regio ongeveer 9°C varieerde tussen de warmste en koudste cyclisch. Deze cycli zijn de perioden. Andere proxy-schattingen, modellen en theorieën grote ijstijden en interglaciale perioden, en geven aan dat de tropen aanzienlijk minder varieerden, we bevinden ons momenteel zodat de wereldgemiddelde temperatuur waarschijnlijk in een interglaciale periode. ongeveer 5°C varieerde tussen pieken en dalen. 24  Klimaatverandering 26 27  4. Het klimaat veranderd altijd De oriëntatie van de aarde in de ruimte is niet constant: de helling, het wiebelen, en de vorm van de baan van onze planeet rond de zon veranderen in een cyclus over de loop van tienduizenden jaren. Deze cycli zijn wat de natuurlijke schommelingen tussen wereldwijde ijstijden en warmere perioden veroorzaken. Het klimaat van onze planeet wordt ook beïnvloed door vulkanische activiteit en veranderingen in hoeveel energie van de zon de aarde bereikt. Een manier waarop we weten dat de huidige opwarming door menselijke activiteit wordt veroorzaakt, is omdat we ons momenteel in een cyclus bevinden die de planeet eigenlijk zou moeten koelen. Door verschillende wetenschappers zijn suggesties gedaan voor de oorzaken van deze cyclische schommelingen in temperatuur en de bijbehorende groei en terugtrekking van grote continentale ijskappen, met name door de Servische wiskundige Milutin Milanković in 1912. Hij erkende dat de vorm van de baan van de aarde rond de zon cyclisch varieert over de tijd—van meer cirkelvormig naar meer ovaal—met een periode van ongeveer 100.000 jaar. Milanković wist ook dat de helling van de rotatie-as van de aarde ten opzichte van het vlak waarin ze de zon omcirkelt, wiebelt over een cyclus van 41.000 jaar, en dat de rotatie-as precessie (een tolbeweging) vertoont als een tol met periodes van 19.000 en 23.000 jaar. Deze drie factoren—de helling van onze planeet, het wiebelen ervan en de baan— beïnvloeden de manier waarop zonlicht over de wereld wordt verspreid, ook al beïnvloeden ze nauwelijks de totale hoeveelheid zonlicht die de planeet in zijn geheel ontvangt. Figuur 9 De excentriciteit van de baan van de aarde, de axiale helling en de axiale precessie variëren in cycli. Samen triggeren deze cycli de overgangen tussen ijstijden en interglacialen. Hij speculeerde—correct, blijkt nu —dat ijstijden worden gecontroleerd door hoeveel zonlicht het noordpoolgebied tijdens de zomer ontvangt, en begon deze hoeveelheid licht op de Noordpool te berekenen op basis van de basiswetten van de natuurkunde die de baan en rotatie van de aarde en de 28  invalshoek van het licht op de Noordpool bepalen. Na jaren van IJstijden worden handmatige berekeningen produceerde Milanković een curve gecontroleerd door hoeveel die liet zien hoe ijstijden zich zouden moeten gedragen. In die zonlicht de Noordpoolregio tijdens de zomer ontvangt. tijd bestonden er geen gedetailleerde gegevens zoals die in In het begin van de Figuur 8 om zijn berekeningen goed te controleren. Maar twintigste eeuw berekende tegenwoordig weten we dat de grote ijstijden inderdaad de wiskundige Milutin werden veroorzaakt door de cycli die door Milanković werden Milanković (met de hand) berekend, hoewel er hiaten zijn in ons begrip van de details van hoe de verdeling van hoe het klimaat van de aarde hierop reageerde. zonlicht varieert en Figuur 10 zoomt in op de temperaturen van de laatste 2000 jaar speculeerde hij dat variaties in het Noordpoolgebied. De langzame, gestage afkoelingstrend in het Arctische zonlicht de ijstijden veroorzaakten. van het begin van de registratie tot ongeveer 1700-1800 na Chr. weerspiegelt waarschijnlijk de langzame afname van zonlicht dat het Noordpoolgebied bereikt als gevolg van de Milanković- Estimated Arctic average summer s, based on proxy records from Tot ongeveer 1900 daalde de zomertemperatuur in het Noordpoolgebied rings (peach). The transparent shading represents the scatter among the 23 sites used to make this graph. The green line on the right side shows the instrumental Arctic temperature record over roughly the last century. From Kaufman et al., 2009, Science 325: 1236–1239. Figuur 10 Geschatte gemiddelde zomertemperatuur in de Arctic (°C) over de laatste 2000 jaar, gebaseerd op proxy- gegevens uit meerafzettingen, ijskernen en jaarringen (perzik). De transparante schaduw vertegenwoordigt de spreiding onder de 23 sites die zijn gebruikt om deze grafiek te maken. De groene lijn aan de rechterkant toont het instrumentele temperatuurrecord van de Arctic over ongeveer de laatste eeuw. Van Kaufman et al., 2009, Science 325: 1236–1239. orbitale cycli. Ongehinderd zou dit mechanisme de aarde naar een nieuwe ijstijd leiden, met continentale ijskappen die vanaf nu duizenden jaren zouden aangroeien. Maar let op de sterke stijging van de temperatuur tegen het einde van de tijdserie, met name na ongeveer 1900. Dit is ongebruikelijk voor de standaarden van de afgelopen paar duizend jaar en weerspiegelt de toename van koolstofdioxide en andere broeikasgassen. 29  5. In hoeverre is de CO2 toename natuurlijk? Dus, data suggereert dat de opwarming van de afgelopen honderd jaar ongebruikelijk is vergeleken met de afgelopen paar duizend jaar en bijna zeker veroorzaakt wordt door de hogere concentraties CO2. Maar zouden de verhoogde CO2-concentraties zelf natuurlijk kunnen zijn? Bijna zeker niet. Figuur 11 toont de geschiedenis van de atmosferische CO2 en de temperatuur in de Antarctische regio over de afgelopen 800.000 jaar, en dekt dus vele Milanković-cycli. Het is duidelijk dat de atmosferische concentratie van CO2 natuurlijk varieert, samen met de temperatuur, van ongeveer 180 tot ongeveer 280 per miljoen in volume (ppmv). Maar de Milanković-cycli kunnen de enorme piek aan het einde van de tijdserie, niet verklaren. Er is geen bewijs dat deze zo groot is geweest gedurende vele miljoenen jaren. Figuur 11 Atmosferische CO2 (groen) en temperatuur (paars) uit Antarctische ijskernen. De concentratie van CO2 in het jaar 2015 wordt weergegeven door de ster rechtsboven. Gegevens van Lüthi et al., 2008, Nature, 453, 379-382, en Jouzel et al., 2007, Science, 317, 793-797 Een zeer nauwgezette en zorgvuldige analyse van de temperatuur en CO2-gegevens in ijskernen toont aan dat tijdens de Milanković-cycli CO2 meestal achterloopt op de temperatuur. Dit suggereert dat de CO2-variaties in eerste instantie werden veroorzaakt door opwarming en afkoeling, en niet andersom. In 30 dit geval fungeerde CO2 als een positieve terugkoppeling, die de Milanković-oscillaties versterkte. Maar in de laatste 100 jaar heeft de enorme toename van CO2 de temperatuursverandering veroorzaakt. Het argument dat men moet kiezen of CO2 een forcerende factor of een respons is, is misleidend. Hetzelfde middel kan in de ene situatie een forcerende factor zijn en in een andere een respons. Stel je hebt een auto met handmatige versnellingsbak in de eerste versnelling, gericht bergafwaarts, en je laat de rem los. De bergafwaartse beweging van je auto zal de motor op toeren brengen. Dit is eigenlijk een goede manier om je auto te starten als de accu leeg is en je bergafwaarts staat. Maar normaal gesproken levert de motor de aandrijving voor de beweging van de auto. De sterke toename van CO2 in de afgelopen honderd jaar, de hoge piek van meer dan 400 ppmv in figuur 10, is het gevolg van de snelle consumptie van fossiele brandstoffen door de mensheid. We zijn er zeker van dat deze toename van CO2-concentraties is veroorzaakt door menselijke activiteiten, omdat de isotopen van koolstof in ijs aantonen dat het afkomstig is van de verbranding van fossiele brandstoffen en het kappen van bossen. In de loop van een paar honderd jaar hebben mensen snel fossiele brandstoffen verbrand die de natuur over tientallen miljoenen jaren heeft gecreëerd. Als we niets doen, en er is geen wereldwijde economische crisis, kunnen we tegen het einde van deze eeuw goed boven de 1000 ppmv uitkomen. 31  6. Het klimaat voorspellen Het echte vraagstuk is natuurlijk wat er in de toekomst zal gebeuren. Hoewel we uiteindelijk willen begrijpen wat de menselijke en financiële risico's zijn, moeten we beginnen met iets eenvoudigers: hoe de globale temperatuur zich in de toekomst zal ontwikkelen. Maar het klimaatsysteem van de aarde is immens en bijna overweldigend complex. Wolken weerkaatsen en absorberen energie van de zon, oceanen nemen warmte op als het terug straalt vanuit de atmosfeer, vulkanen barsten uit en stoten zon-weerkaatsende deeltjes uit, ijs smelt en verandert eens zeer reflecterende oppervlakken in donkere oceaanwateren. Om met deze complexiteit om te gaan, hebben wetenschappers computermodellen gemaakt om deze interacties in kaart te brengen en te simuleren hoe de aarde zou kunnen reageren onder verschillende scenario's en aannames—en we krijgen een steeds duidelijker beeld van wat voor soort temperatuurveranderingen we in de komende decennia kunnen verwachten. 6.1 Wat zijn klimaatmodellen? Om de immense complexiteit van het klimaatsysteem aan te pakken, wenden wetenschappers zich tot uitgebreide wereldwijde klimaatmodellen. Het woord "model" betekent verschillende dingen voor verschillende mensen en in verschillende contexten. Modellen die worden gebruikt voor het voorspellen van het weer, bijvoorbeeld, zijn rekenkundige hulpmiddelen voor het oplossen van grote sets vergelijkingen. Het gebruik van een computer om deze vergelijkingen op te lossen lijkt erg op het gebruik van een computer om bijvoorbeeld een ruimtevaartuig precies op Mars te laten landen. Dit type modellering is heel anders dan bijvoorbeeld economische modellering. Economische modellen lossen ook vergelijkingen op, maar in tegenstelling tot weermodellen zijn deze vergelijkingen voornamelijk gebaseerd op historische economische gegevens en verslagen van menselijk gedrag. De vergelijking van klimaatmodellen met de modellen die worden gebruikt om ruimtevaartuigen te laten landen, is enigszins misleidend. Hoewel de vergelijkingen die het klimaat beheersen vrij nauwkeurig bekend zijn, kunnen ze met de huidige computers niet precies worden opgelost. We kunnen bijvoorbeeld niet elk molecuul van het klimaatsysteem volgen, maar moeten middelen over grote blokken van ruimte en tijd. Voor het modelleren van de atmosfeer middelen hedendaagse klimaatmodellen typisch over blokken van 100 horizontale vierkante kilometers bij 1 kilometer in de hoogte, en over tijdsintervallen van enkele tientallen minuten. Dit middelen zorgt voor fouten en slaat belangrijke (kleinschalige) klimaatprocessen over. Cumulusconvectie — zoals onweersbuien — is naast straling de belangrijkste manier waarop warmte verticaal door de atmosfeer wordt overgedragen. Maar cumuluswolken zijn slechts een paar kilometer breed en kunnen daarom onmogelijk worden gesimuleerd door modellen die een resolutie hebben van 100 vierkante kilometer. Toch moeten ze in aanmerking worden genomen, en daarom gebruiken we een techniek die enigszins ongemakkelijk 'parameterisatie' wordt genoemd. Parameterisaties vertegenwoordigen processen die niet door het model zelf kunnen worden opgelost, en ze proberen getrouw te zijn aan de vergelijkingen die aan die processen ten grondslag liggen. Maar er moeten veel aannames worden geïntroduceerd en hun doeltreffendheid wordt meestal beoordeeld op hoe goed ze gebeurtenissen uit het verleden simuleren. In veel opzichten liggen parameterisaties dichter bij economische modellering dan bij het programmeren van ruimtevaartuigen. Klimaat- en weermodellen 32 zijn dus combinaties van strikt deterministische modellering (zoals het programmeren van ruimtevaartuigen) en enigszins ad hoc parameterisaties (dichter bij economische modellering). Weermodellen kunnen keer op keer worden getest, elke dag opnieuw, en daarmee geleidelijk worden verfijnd. De huidige weermodellen zijn veel beter dan die van een generatie geleden, deels dankzij verbeterde computermogelijkheden, deels door toegenomen knowhow en deels omdat ze herhaaldelijk getest en verfijnd kunnen worden op basis van waarnemingen. Maar klimaat ontwikkelt zich langzaam, en er zijn daarom niet veel klimaatreeksen om modellen tegen te testen. In tegenstelling tot weersvoorspelling hebben we in klimaatmodellering dus noch de geschiedenis van succes, noch het vertrouwen dat daarmee gepaard gaat. Maar de fundamenteel chaotische aard van het weer legt een voorspelbaarheidshorizon op aan weersvoorspellingen, terwijl we bij klimaat proberen de langzame respons van de langetermijn gemiddelde statistieken van het weer op veranderingen in zonlicht, CO2 en andere factoren te voorspellen. Voor dit soort voorspellingen is er misschien geen fundamentele voorspelbaarheidshorizon. (We kunnen met vertrouwen zeggen dat de zomer warmer zal zijn dan de winter, zo ver vooruit als we willen.) Maar er zijn genoeg resterende onzekerheden in de fysica van het klimaat waar we goed over na moeten denken en mee om moeten omgaan. 6.2 Onzekerheid Wetenschappers staan voor enorme uitdagingen bij het proberen te modelleren van het klimaatsysteem van de aarde. Hoewel er een goed begrip bestaat van hoe veel delen van het systeem werken, zorgt ons onvolledige begrip van verschillende aspecten van het zeer complexe klimaatsysteem voor onzekerheid in onze pogingen om te voorspellen hoe het klimaat zal veranderen. Om een voorbeeld te geven, de waterdampinhoud van de atmosfeer varieert, meestal in reactie op de temperatuur zelf. Naarmate de atmosfeer opwarmt, neemt de concentratie van waterdamp toe. Maar waterdamp is het belangrijkste broeikasgas, en de toename ervan leidt tot verdere opwarming. Dit is een voorbeeld van een positieve terugkoppeling in het systeem, en het huidige begrip suggereert dat deze factor alleen al de opwarming die optreedt als reactie op toenemende CO2 min of meer verdubbelt. Maar de ware fysica van het klimaat is niet zo eenvoudig, en de verdeling van waterdamp wordt beïnvloed door veel andere variabelen naast temperatuur. Ons onvolledig begrip van waterdamp is dus een bron van onzekerheid bij het modelleren van het klimaat. Veel problematischer zijn wolken, die wat betreft straling aan beide kanten van de zaak werken. Ze zijn verantwoordelijk voor het grootste deel van de reflectie van zonlicht door onze planeet, waardoor ze afkoelt. Maar ze absorberen en herstralen ook infrarode straling net als broeikasgassen, waardoor ze een verwarmend effect hebben. Welk effect overheerst, hangt af van de hoogte en optische eigenschappen van de wolken. Op dit moment is er geen algemeen geaccepteerde theorie over hoe wolken reageren op klimaatverandering. Wolken worden nu beschouwd als een van de belangrijkste bronnen van onzekerheid in klimaatprojecties. Aan dit probleem kunnen we nog veel andere kwesties toevoegen die de immense, bijna overweldigende complexiteit van het klimaatsysteem weerspiegelen. Wanneer zee-ijs smelt, wordt een wit oppervlak vervangen door donkere oceaanwateren, die meer zonlicht absorberen (nog een positieve terugkoppeling). Op sommige plaatsen kunnen jungles, die relatief donker zijn, worden vervangen door woestijnen, die zeer reflecterend zijn, wat een negatieve terugkoppeling is. Het tempo waarmee de oceanen overtollige CO2 absorberen, kan zelf veranderen als reactie op veranderingen in de oceaantemperatuur en de concentratie van opgeloste CO2. Onvolledig begrip van deze processen zorgt allemaal voor onzekerheid in klimaatprojecties. 33 Een andere bron van onzekerheid is de reactie van de diepe oceaan op klimaatverandering. De oceanen fungeren als een buffer tegen temperatuursveranderingen en vertragen de respons van de wereldwijde temperatuur op toenemende broeikasgassen. Hier is een goede manier om na te denken over het effect van de oceanen. Stel dat we een afgesloten glazen cilinder hebben die gelijke volumes lucht en water bevat. Als het gewoon stilstaat zonder dat er energie in of uit de wanden van de container gaat, zullen de lucht en het water naar dezelfde temperatuur neigen. Voeg voldoende zwarte kleurstof toe aan het water om het ondoorzichtig te maken en laat een sterke zaklamp door de glazen bovenkant van de cilinder schijnen. Het licht gaat door de lucht maar wordt aan de oppervlakte van het water geabsorbeerd, waardoor het opwarmt. Dus het oppervlak van het water warmt op, en omdat dat het deel is dat in contact is met de lucht, warmt de lucht ook op. Maar het water onder het oppervlak wordt niet door het licht verwarmd, omdat het licht het oppervlak niet doorbreekt, dus blijft het op de temperatuur die het daarvoor had. Maar langzaam—heel langzaam—treedt diffusie op van de warmte van het oppervlaktewater naar het diepe water, waardoor zowel het diepe water opwarmt als het oppervlaktewater en daarmee de lucht afkoelt. Dus nadat we de zaklamp hebben aangezet, zal er een aanvankelijke snelle opwarming van de lucht en het oppervlaktewater zijn, gevolgd door een zeer langzame stijging van de temperatuur van het gehele systeem. Uiteindelijk zullen het water en de lucht een nieuwe, warmere temperatuur bereiken. Hoe lang dit duurt, hangt af van hoe snel de warmte naar beneden diffundeert in het diepe water. Onze modellen zouden rekening kunnen houden met de vertraging tussen warmte-invoer en temperatuurverandering in de echte wereld als we een eenvoudige theorie hadden over hoe warmte doordringt in de oceaandiepte. We weten dat warmte snel naar beneden gemengd wordt tot een diepte van tussen de 20 en 150 meter, afhankelijk van de locatie en de tijd van het jaar. Als warmte niet dieper zou doordringen, zou een penetratie van 20–150 meter een vertraging van ongeveer twee jaar geven. Maar we weten uit metingen dat warmte erin slaagt veel dieper in de oceaan te circuleren, wat behoorlijk lang kan duren, mogelijk wel 1.000 jaar. Hoe dit precies gebeurt is complex en vormt een bron van onzekerheid voor klimaatvoorspellingen op de lange termijn. Ten slotte kunnen wiskundige modellen van systemen die op het klimaat lijken plotselinge, onvoorspelbare verschuivingen vertonen. We weten niet zeker of ons klimaat zo'n systeem is, maar er is bewijs gevonden in ijskernen van Groenland dat ijstijdklimaten vrij snel van de ene naar de andere toestand kunnen springen. Dit bewijs, samen met onze modellen, geeft de idee van kantelpunten — plotselinge en grotendeels onvoorspelbare verschuivingen in de klimaattoestand — een mathematische basis. Dit idee houdt menig klimaatwetenschapper 's nachts wakker. 34  Figuur 12 Het kost tijd voordat de temperatuur van een systeem stijgt na een eerste forcering. 6.3 Omgaan met onzekerheid Zoals de Deense natuurkundige Niels Bohr ooit opmerkte: "Voorspellen is erg moeilijk, vooral als het over de toekomst gaat." Wetenschappers hebben een aantal strategieën ontwikkeld om met onzekerheid om te gaan en hebben deze gebruikt om de reeks van mogelijke temperaturen te schatten die we in de komende eeuw zullen zien. Er zijn ongeveer 40 klimaatmodellen die door verschillende organisaties over de hele wereld worden gebruikt, en ze geven allemaal enigszins verschillende voorspellingen over de reactie van het klimaat op toenemende concentraties van broeikasgassen. Daarnaast moeten we inschatten hoe de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer zich in de komende eeuwen zal ontwikkelen, wat niet alleen een begrip vereist van de fysica, chemie en biologie die deze gassen beheersen, maar ook een beoordeling van menselijk gedrag: hoeveel broeikasgas zullen we uiteindelijk uitstoten? Het schatten van toekomstige emissies is een probleem van economische en gedragsvoorspellingen, waaronder, heel belangrijk, het voorspellen van bevolkingsgroei. Zullen ontwikkelde landen leren hoe ze beter energie kunnen besparen? Zullen de economieën van landen zoals India zich snel uitbreiden, zoals China deed, wat leidt tot een snelle groei van de energievraag? Hoe ver zullen koolstofarme energietechnologieën doordringen in de energiesector? Er zijn sterke onderlinge afhankelijkheden tussen deze kwesties. Recente ervaringen laten bijvoorbeeld zien dat naarmate het bruto nationaal product per capita toeneemt, samen met het energieverbruik per capita, de bevolkingsgroei de neiging heeft af te vlakken, wat de groei van de energievraag verzacht. Al deze factoren hebben een sterke invloed op de uitstoot van broeikasgassen. Om hiermee om te gaan, heeft het Intergouvernementeel Panel over Klimaatverandering (IPCC 1) een reeks van slechts vier “representatieve concentratieroutes” (RCP's) opgesteld, die plausibele ontwikkelingen van broeikasgassen en andere door de mens veroorzaakte invloeden op het klimaat - zoals aerosolen - uitdrukken. 1 Het IPCC voert zelf geen onderzoek uit, maar coördineert onderzoek en vat periodiek klimaatonderzoek en voorspellingen samen voor het publiek. Onderzoekers van over de hele wereld sturen hun resultaten in gestandaardiseerde formaten in, zodat ze gemakkelijk kunnen worden vergeleken. De reeks IPCC-rapporten vormt de meest uitgebreide samenhangende inspanning door de wetenschap om onderzoeksresultaten aan het publiek over te brengen. 35 Deze zijn gelabeld met de bijbehorende stralingsforcering (de extra opwarming veroorzaakt door de mens geproduceerde broeikasgassen) in het jaar 2100; zo heeft RCP 6.0 bijvoorbeeld een stralingsforcering van 6 watt per vierkante meter tegen het jaar 2100. (Ter vergelijking: een verdubbeling van CO2 zorgt voor een stralingsforcering van ongeveer 4 watt per vierkante meter.) Figuur 12 toont de ontwikkelingen van deze concentratieroutes, uitgedrukt alsof alle forcering uitsluitend te wijten is aan CO2. Dat wil zeggen, we nemen de stralingsforceringen die worden geassocieerd met andere broeikasgassen zoals methaan en distikstofoxide, samen met aerosolen, en zetten deze om in ‘CO 2- equivalente’ eenheden. Naast de onzekerheid rond de emissies is er inherente onzekerheid in de modellen zelf. Veel belangrijke processen zoals turbulentie, convectie en de interactie van straling met wolken moeten indirect in de modellen worden weergegeven (met parameterisaties), wat een van de vele bronnen van modelonzekerheid is. Een strategie om met deze belangrijke bron van onzekerheid om te gaan, is het uitvoeren van veel verschillende modellen en elk van deze modellen meerdere keren draaien met verschillende beginwaarden om een groot ensemble van prognoses te creëren. Hoewel niet perfect, geeft het vergelijken van de resultaten van de vele leden van zo'n ensemble ons enig inzicht in de inherente onzekerheid in modelprojecties. Deze strategie wordt ook gebruikt bij het uitvoeren van weersvoorspellingsmodellen (de `weerpluim’) en heeft zich waarde vol bewezen in het kwantificeren van de onzekerheid van weersvoorspellingen. De inspanningen die we vandaag leveren om de uitstoot te beperken, zullen de concentraties van broeikasgassen voor de rest van de eeuw beïnvloeden. Figuur 13 Vijf hypothetische ontwikkelingen van broeikasgassen, uitgedrukt in termen van het CO 2-equivalent van hun netto stralingsforcering. Het CO2-equivalent is een maat voor de totale uitstoot van broeikasgassen uitgedrukt in termen van de hoeveelheid CO2 met hetzelfde opwarmingspotentiaal over een bepaalde tijdschaal (meestal 100 jaar). De pre-industriële waarde van het CO2-equivalent was dichtbij 280 ppm. 36 6.4 Wat de modellen zeggen Het nieuws is niet goed. Als er niets wordt gedaan om de uitstoot te beperken en de economische groei in de ontwikkelingslanden snel vooruitgaat, kan de mondiale gemiddelde temperatuur tegen 2100 stijgen met tussen de 2,5 °C en 4,5 °C, en tegen 2300 met tussen de 4 °C en 13 °C. De rode curve in Figuur 12, RCP 8.5, is een pessimistische projectie die veronderstelt dat er geen serieuze inspanningen worden geleverd om de broeikasgasemissies te beperken en dat de economische groei robuust is. In deze projectie is tegen het einde van de eeuw het CO2-equivalent verviervoudigd ten opzichte van de pre-industriële niveaus, tot ongeveer 1.230 ppm. Paleoklimaatproxies suggereren dat een dergelijke waarde sinds de Eoceen-periode, ongeveer 50 miljoen jaar geleden, niet is gezien, toen alligators in Groenland rondzwommen en de zeespiegel 70 meter hoger was dan vandaag. Als het klimaat in evenwicht zou komen met de geassocieerde stralingsforcering van 8,5 watt per vierkante meter in 2100, zou de extrapolatie van de temperatuurprojecties van het IPCC een wereldwijde opwarming van 3– 9 °C opleveren. De andere drie RCP's gaan uit van een bepaald niveau van mitigatie van broeikasgasemissies en zijn nuttig voor het schatten hoe verschillende mitigatiestrategieën de klimaatverandering zouden kunnen beperken. Tenzij de mensheid De verwachte respons van de mondiale gemiddelde aanzienlijke veranderingen oppervlakte temperatuur hangt zowel af van de emissiecurve aanbrengt in de emissies (of als van het klimaatmodel dat wordt gebruikt voor de hun opname), zouden we projectie. In het Vijfde Beoordelingsrapport vat het IPCC deze tegen het einde van de eeuw respons samen in pluimen, weergegeven in Figuur 13, die CO2-concentraties kunnen zich uitstrekt tot het jaar 2300. De kleurenpluim voor elke zien die al 50 miljoen jaar curve in de figuur vertegenwoordigt de spreiding tussen de niet meer zijn verschillende klimaatmodellen die zijn gebruikt voor de waargenomen. Dit was toen projecties. Merk op dat als er niets wordt gedaan om de alligators in Groenland emissies te beperken en de economische groei in de rondzwommen en de ontwikkelingslanden snel doorgaat, de mondiale gemiddelde zeespiegel 70 meter hoger was dan vandaag. temperatuur tegen 2100 kan stijgen met tussen de 2,5 en 4,5 °C (en met tussen de 4 en 13 °C tegen 2300). Maar wat zijn de gevolgen van deze veranderingen? Hoe zullen ze ons in menselijke en economische termen beïnvloeden? We zullen in het volgende hoofdstuk de risico's die klimaatverandering met zich meebrengt bekijken en hoe we, althans voor sommige risico's, daadwerkelijk cijfers kunnen toekennen en conclusies kunnen trekken. 37  Als de economische groei met een sterke afhankelijkheid van fossiele brandstoffen aanhoudt, kan de mondiale gemiddelde temperatuurstijging tegen 2300 14 °C bereiken – een waarde die sinds ongeveer 50 miljoen jaar geleden niet meer is bereikt. Figuur 14 Tijdseries van de mondiale jaarlijkse gemiddelde temperatuurafwijkingen (ten opzichte van 1986–2005) uit de CMIP5 [Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, met ten minste 20 klimaatmodelleringsgroepen] concentratie-gedreven experimenten. Projecties worden weergegeven voor elke Representatieve Concentratieroute (RCP) voor het multi- modelgemiddelde (doorgetrokken lijnen) en het bereik van 5% tot 95% (±1,64 standaarddeviatie) over de verdeling van individuele modellen (pluim/schaduwing). Bron: Vijfde Beoordelingsrapport van het IPCC. 38 39  Het Risico 40 41  7 Het risico begrijpen Wanneer we overwegen wat te doen aan klimaatverandering, is het nuttig om het te bekijken in termen van risicomanagement. Ieder van ons wordt regelmatig geconfronteerd met verschillende soorten risico's, van alledaagse risico's zoals het beklimmen van een ladder om een gloeilamp te ververvangen, tot zeer ingrijpende risico's, zoals een openhartoperatie ondergaan. Of we ons hiervan bewust zijn of niet, elke beslissing omvat twee stappen: het inschatten hoe waarschijnlijk het is dat iets gebeurt en het beoordelen van de kosten en de baten, zowel in menselijke als in financiële termen. Wat weten we over de waarschijnlijkheden en de kosten van klimaatverandering? En hoe moeten we risico's met een lage waarschijnlijkheid overwegen: onwaarschijnlijke scenario's met potentieel catastrofale gevolgen? In wezen draait risico om waarschijnlijkheden en om kosten, gemeten in menselijke en financiële termen. Bijvoorbeeld, bij het beslissen om een ladder op te klimmen om een gloeilamp te vervangen, kunnen we inschatten dat de kans om van de ladder te vallen klein is, maar potentieel grote gevolgen kan hebben. Dit wegen we af tegen de grote kans dat we de lamp succesvol vervangen, met de bijbehorende voordelen van licht. Dit kan gemakkelijk zijn, maar dan zijn er de moeilijke gevallen. Een chirurg vertelt me dat ik een kans van 90% heb om de openhartoperatie te overleven. Maar als ik dat doe, heb ik misschien nog maar een paar jaar te leven. Gezien het feit dat de procedure mijn familie veel zal kosten, of het nu succesvol is of niet, moet ik ermee doorgaan? De beoordeling van risico vereist daarom dat we de kosten van de uitkomst vermenigvuldigen met de waarschijnlijkheid van die uitkomst. We bevinden ons dan in een positie om te beslissen we bereid zouden zijn te besteden om die uitkomst te vermijden. Vaak hebben de allerergste uitkomsten een zeer lage waarschijnlijkheid, en het is vaak moeilijk om de ware waarschijnlijkheid van zeer onwaarschijnlijke gebeurtenissen te beoordelen. Economen noemen dit het probleem van "tail risk", omdat het betrekking heeft op de risico's die samenhangen met de uiteinden—de staarten (“tails")—van waarschijnlijkheidscurven. De waarschijnlijkheden van tail risks kunnen zeer klein zijn, maar we kunnen ze niet simpelweg negeren omdat de kosten zeer hoog kunnen zijn. Bijvoorbeeld, als je van een betrouwbare bron te horen krijgt dat er een kans van 1% is dat je kind wordt aangereden als je het laat oversteken op een drukke snelweg, zou je die risico’s bijna zeker niet nemen, ook al zijn de kansen enorm in je voordeel. De kosten zijn simpelweg veel te hoog, vooral wanneer je het vergelijkt met de relatief lage kosten van naar een zebrapad lopen. Wanneer we de risico's van klimaatverandering onder ogen zien, moeten we iets weten over de waarschijnlijkheden van verschillende klimaatuitkomsten en de kosten die deze uitkomsten met zich mee kunnen brengen voor de samenleving, en de kosten en voordelen van het beperken van klimaatverandering. We moeten ook de tail risks onder ogen zien die samenhangen met onwaarschijnlijke maar potentieel catastrofale uitkomsten, zoals een grote en snelle stijging van de zeespiegel door een instortende ijskap. Maar er zijn sterke culturele vooroordelen die het bespreken van dit soort tail risks bemoeilijken, althans binnen het domein van de klimaatwetenschap. De legitieme vrees dat het publiek elke discussie over tail risk zal interpreteren als een opzettelijke poging om mensen bang te maken voor actie, of om een ander verborgen of snood doel te bereiken, is voldoende om de meeste klimaatwetenschappers te ontmoedigen om over tail risk te praten en zich te houden aan de veilige hoge grond van het midden van de waarschijnlijkheidsverdeling. De beschuldiging van "alarmisme" is vaak zeer effectief in het laten aarzelen van wetenschappers bij het overbrengen van tail risks, en praten over de staart van de distributie is een gegarandeerde manier om zo te worden gelabeld. Immers, per definitie is het onwaarschijnlijk dat dergelijke risico's zich voordoen. Als we bewonderd willen worden door onze nakomelingen, is de beste strategie om ons te richten op de meest 42 waarschijnlijke uitkomsten, en met een hoge waarschijnlijkheid kunnen we dan die "alarmisten" belachelijk maken die voor de tail risks hebben gewaarschuwd, net zoals de volwassene die het kind adviseert om over te steken, waarschijnlijk ook achteraf degene die het tegenovergestelde heeft geadviseerd kan berispen. Zoals we in het volgende hoofdstuk uitleggen, brengen de meest waarschijnlijke uitkomsten van klimaatverandering in de komende eeuw, tenzij we actie ondernemen om de uitstoot van broeikasgassen te beperken, hoge kosten met zich mee voor de samenleving. Maar als klimaatverandering erger is dan wat we momenteel denken dat de meest waarschijnlijke uitkomst is, staan we voor de mogelijkheid van catastrofale uitkomsten, zo catastrofaal dat het moeilijk kan zijn om enige definitieve cijfers aan de waarschijnlijke kosten te hangen. Het wordt bijna een filosofische vraag hoeveel we bereid zouden zijn te besteden om de onwaarschijnlijke, maar zeer oncomfortabele mogelijkheden van werkelijk catastrofale uitkomsten te vermijden. Om dit iets concreter te maken, kijk naar Figuur 15 dat een schatting toont van de waarschijnlijkheidsverdeling van de wereldwijde gemiddelde temperatuur als gevolg van een verdubbeling van CO2 ten opzichte van de pre-industriële waarde, gemaakt op basis van 100.000 simulaties met een bepaald klimaatmodel. We gebruiken dit hier als illustratie; het moet niet worden beschouwd als de meest actuele schatting van de waarschijnlijkheden van wereldwijde temperatuurstijgingen. Bij benadering in overeenstemming met het meest IPCC rapport, loopt het meest waarschijnlijke “midden” van de verdeling van ongeveer 1,8°C tot ongeveer 4,6°C, terwijl er een ruwweg 5% kans is dat de temperatuurstijgingen minder dan ongeveer 1,8°C en meer dan ongeveer 4,6°C zijn. Maar gezien de bijbehorende verdelingen van neerslag, stormen, zeespiegelstijging, enzovoort, kan de uitkomst van de hoogste 5% zo ingrijpend zijn dat het terecht catastrofaal genoemd kan worden. Het is van vitaal belang dat we deze tail risk in aanmerking nemen, evenals de meest waarschijnlijke uitkomsten. Tot nu toe is het moeilijk geweest om tail risk te kwantificeren, buiten wat wordt geïmpliceerd door data zoals weergegeven in Figuur 14. We hebben ook geprobeerd paleoklimaatdata en de waargenomen reactie van het klimaat op grote vulkaanuitbarstingen te gebruiken om de waarschijnlijkheidsverdeling te verkleinen. Een wild card in de beoordeling van klimaatrisico's is het probleem van abrupte, onomkeerbare klimaatverandering, waarvan data in ijskernen en diepzeesedimenten suggereert dat dit in het verleden is voorgekomen. We moeten ook in gedachten houden dat de grafiek in Figuur 15 en vele risico-evaluatiestudies een verdubbeling van CO2 als benchmark gebruiken, terwijl we momenteel op weg zijn naar een verdrievoudiging van de CO2-gehalten tegen het einde van deze eeuw. Tenzij we een manier vinden om koolstof uit de atmosfeer te halen (waar we in het hoofdstuk over Oplossingen over praten), zouden de klimaatrisico's alarmerend hoog worden (en niet alleen in de tails) in de 22e eeuw, zelfs als we de emissies tegen het einde van deze eeuw stopzetten. Laten we die risico's nu verkennen. De extreme scenario’s—Catastrofale of slechts kleine opwarming—zijn onwaarschijnlijk maar mogelijk. Dit is wat we "tail risks" noemen. 43 Figuur 15 Houd er rekening mee dat deze grafiek alleen ter illustratie is. Het moet niet worden beschouwd als de meest actuele schatting van de waarschijnlijkheden van wereldwijde temperatuurstijgingen. Figuur van Chris Hope, Universiteit van Cambridge. 44 45  8. Wat zijn de risico’s? 8.1 Zeespiegelstijging We beginnen met een eenvoudige observatie over de zeespiegelstijging in het verleden en de menselijke beschaving. Vergeet niet dat wanneer het ijsvolume op aarde daalt, de zeespiegel stijgt en vice versa. Al dat water dat in het ijs is opgesloten, komt uit de oceaan, en wanneer er uitgebreide ijskappen zijn, is er minder water in de oceaan. De zeespiegel moet in die tijden daarom lager zijn geweest. Hoeveel lager? Het antwoord is ruwweg 130 meter. Dat weten we omdat we het volume van landijs kennen en ook direct geologische bewijs hebben van oude kusten. Figuur 15 illustreert de zeespiegelstijging vanaf het laagste punt van ongeveer 130 meter onder het huidige niveau 22.000 jaar geleden, tot moderne waarden. Je kan zien dat de zeespiegel opmerkelijk stabiel is geweest in de afgelopen 7.000–8.000 jaar—samenvallend met de tijd waarin de menselijke beschaving zich ontwikkelde. En dat is precies het punt. Omdat onze prehistorische voorouders nomaden waren, bouwden ze geen permanente steden. Ze merkten waarschijnlijk de 130 meter stijging over 10.000 jaar (gemiddeld 13 mm per jaar) niet eens op. De menselijke beschaving ontwikkelde zich vervolgens in een periode van ongebruikelijke klimatologische stabiliteit en is uiterst afgestemd op het klimaat van de afgelopen 7.000–8.000 jaar. In onze tijd, met onze infrastructuur en steden, zou veel schade worden aangericht door een verandering van een paar meter in zeespiegel, laat staan 130 meter. Een bescheiden klimaatsverschuiving in welke richting dan ook zal zeer problematisch zijn. De zeespiegel steeg door de 20e eeuw en is blijven stijgen in deze eeuw; de snelheid hiervan is toegenomen tot meer dan 3 mm per jaar, voornamelijk als gevolg van thermische uitzetten naarmate de oceaanwaters opwarmen. Afvoer van smeltend ijs in Groenland en West-Antartica zal de snelheid van zeespiegelstijging verhogen. Smeltend ijs in Groenland en West-Antarctica zullen naar verwachting de snelheid van de zeespiegelstijging in de komende decennia verder te verhogen, prognoses variëren tot een stijging van ongeveer 1 meter tegen 2100, waarbij enkele schattingen zelfs een grotere stijging van zelfs 2 meter suggereren. Het grootste deel van het thermische expansie-effect en ten minste een deel van het smelten van gletsjers is rechtstreeks toegeschreven aan door de mens veroorzaakte opwarming. Verhoogde zeespiegels maken kustgebieden gevoeliger voor overstromingen door stormen, zoals bijvoorbeeld blijkt uit de nasleep van orkaan Sandy in 2012 en orkaan Idalia in 2023. Stijgende zeeën infiltreren ook watervoorraden, waardoor de aanvoer van zoet water in gevaar komt. Veel kuststeden wegen de kosten en baten van adaptatiestrategieën af, zoals het bouwen van grote stormbarrières, het creëren van meer doorlatende architectuur zoals groene daken en regentuinen, en het upgraden van pompen, afvoerpijpen en back-upgeneratoren. Sommige steden, zoals New York City, hebben al aanzienlijke investeringen gedaan om hun veerkracht te verbeteren. Maar door de langzame opwarming van de oceanen zal de zeespiegel niet stoppen met stijgen in 2100, zelfs niet als we tegen die tijd erin slagen de uitstoot naar nul te brengen. De laatste keer dat de atmosfeer van de aarde een concentratie van meer dan 400 ppm CO2 had, was tijdens de Plioceen- periode, ongeveer 3 miljoen jaar geleden, waarin de zeespiegel ongeveer 25 meter hoger stond dan vandaag. Het kan duizenden jaren duren, maar dat is de richting wa