Natuurlijke Samensmelting: De Verbinding tussen Aardse Ecologie en Klimaat
“When scientists focus on the physics of the Earth system, it has traditionally been called climate. In contrast, when scientists focus on the biological aspect of the Earth system, it is called ecology.”
Roger A. Pielke Sr.
Bovenstaand is de opvatting van een van de meest bekende meteorologen, Roger A. Pielke Sr. Naar aanleiding van deze quote werd ik nieuwsgierig naar zijn werk. Wat bedoelt hij precies met het idee dat klimaat en ecologie in wezen hetzelfde zijn? Hoe moeten we ons dat voorstellen? Wat zijn de implicaties voor klimaatwetenschap en beleid? En hoe kwam hij tot zo’n inzicht?
Connectie tussen ecologie en klimaat volgens Pielke
Om een beeld te krijgen van wat hij bedoelt, moeten we het klimaat iets anders bekijken dan de standaard benadering, die temporeel is. Dat wil zeggen, het beschrijft het klimaat als het weer over lange perioden. Als je bijvoorbeeld zoekt naar “wat is het klimaat?” vind je definities zoals die in Wikipedia die het klimaat omschrijven als het langetermijnweerpatroon in een regio, meestal gemiddeld over 30 jaar. Pielke erkent dit aspect van het klimaat, dat het gaat om systemische veranderingen die verschillend zijn van dagelijkse en seizoensgebonden verschuivingen in het weer. Maar het klimaat, merkt hij op, bestaat ook uit dingen, veel dingen eigenlijk. Men zou kunnen zeggen dat het het systeem is dat voortkomt uit de interactie van de ontelbare dingen en processen van de aarde, levend en niet-levend.
Bijvoorbeeld, als je je vragen verandert van “wat is het klimaat?” naar “wat is het klimaatsysteem?”, geeft Wikipedia iets heel anders: “Het klimaatsysteem van de aarde is een complex systeem met vijf interactieve componenten: de atmosfeer (lucht), de hydrosfeer (water), de cryosfeer (ijs en permafrost), de lithosfeer (de bovenste rotsachtige laag van de aarde) en de biosfeer (levende wezens).”
Het is hetzelfde klimaat, maar een heel ander gezichtspunt. Nu, als je zoekt naar “wat is de ecologie van de planeet?” geeft Wikipedia je dit: “Volgens de meest algemene biophysiological definitie is de biosfeer het mondiale ecologische systeem dat alle levende wezens en hun relaties integreert, inclusief hun interactie met de elementen van de lithosfeer, cryosfeer, hydrosfeer en atmosfeer.” Zie je het? In een beschrijving van de ecologie van de planeet komen dezelfde “interacterende componenten” voor als in het klimaatsysteem van de planeet. In plaats van twee afzonderlijke dingen zijn het twee aspecten van een gemeenschappelijke zaak, waarnaar Pielke verwijst als het aardsysteem.
Zelfs zoogdieren en insecten spelen een rol in het klimaat, zegt Pielke, erop wijzend dat “de slachting van miljoenen bizons op de Great Plains van de Verenigde Staten aan het eind van de 19e eeuw de kortgrasprairie veranderde van wat het geweest was en waarschijnlijk de uitwisseling van vocht, warmte en gassen tussen het aardoppervlak en de atmosfeer veranderde.” Met “uitwisseling van vocht, warmte en gassen aan het oppervlak” bedoelt hij de bewegingen van vocht, warmte en gassen tussen het landoppervlak en de atmosfeer. Deze uitwisselingen zijn moeilijk voor te stellen omdat ze onzichtbaar zijn, maar ze zijn desondanks fundamenteel voor het klimaat.
Het is immers het aardoppervlak dat het lot bepaalt van de zonne-energie die het bereikt. Als het oppervlak door de mens is gemaakt of onbegroeid is, dringt de straling eenvoudigweg de grond binnen om uitgestraald te worden als langgolvige straling, die broeikasgassen kunnen absorberen, met als gevolg verwarming van de atmosfeer. Maar als het op vegetatie landt, gebeurt er iets heel anders. Natuurlijk wordt een deel ervan gebruikt voor fotosynthese, maar slechts ongeveer 1%. Het merendeel drijft wat je kunt beschouwen als een levende warmte- en waterpomp aan. Het kost warmte om vloeibaar water naar waterdamp te verdampen, en levende landschappen sturen enorme hoeveelheden waterdamp naar het niveau van de wolken via transpiratie. Zo sturen ze ook warmte omhoog, waarbij bij condensatie van de waterdamp terug naar vloeistof de warmte wordt vrijgegeven. Slim trucje. Water wordt gerecycled, warmte wordt verwijderd. Planten en ecosystemen handhaven een evenwicht in een gematigde omgeving. Alles aangedreven door de zon en beheerd door levende dingen.
Het kan ook zo simpel zijn als het ruwe effect dat vegetatie heeft op het aardoppervlak. Om het punt te illustreren verwijst hij naar Mars. Daar, zegt hij, “zijn stofstormen een belangrijke factor in het klimaat, en ze verspreiden zich over de planeet in een paar weken omdat er geen vegetatie is om hun verspreiding te beperken. Mars is slechts een fysiek systeem. Dat wil zeggen, er is geen noodzaak om biologie te overwegen om de verspreiding van stofstormen te voorspellen. Het begrijpen van stofstormen op aarde houdt echter nauw verband met biologie en andere eigenschappen van het landoppervlak.”
We hoeven echter niet naar Mars te gaan om deze principes aan het werk te zien. We kunnen naar de Florida Everglades gaan. In het laatste deel van de twintigste eeuw werd zuid-Florida vaak geteisterd door droogte. Bovendien veroorzaakte een onverwachte vorst in 1997 aanzienlijke schade aan de citrusoogst, resulterend in enorme economische verliezen. Industriële boerderijen waren al lang naar het zuiden getrokken om dergelijke vorst te ontlopen, maar het leek erop dat de vorst hen volgde. Pielke vroeg zich af of historische en recente veranderingen in het land een rol speelden, veranderingen die het landschap bijna volledig hadden veranderd, zoals de volgende figuur laat zien:
Hoewel veranderingen in “land” misschien niet de beste manier zijn om erover na te denken. Een groot deel van dat land, dat zuidwestelijk en vervolgens zuidoostelijk door het midden van het schiereiland liep, was het grootste deel van het jaar bedekt met water, te beginnen met het overstromingsvlakte van de Kissimmee-rivier, een brede, natte-prairie moeras dat uitmondt in het meer Okeechobee. Van daaruit ging het verder als een brede waterplaat die over sawgrass-moerassen, sloughs en veenbodems gleed – wat we kennen als de Everglades, of de rivier van gras. Let op het lichtpaarse gedeelte net onder het meer, “Zaaggrassen/Andere moerassen”. Zo ziet zo’n soort verandering in het landschap eruit:
Het droogleggen en ontwikkelen van een dergelijk land is als het droogleggen van een binnenzee, een ware verandering. Maar hoe kunnen we de link tussen die verandering en het klimaat blootleggen? Op deze vraag had Pielke een voordeel. Hij kende de Everglades goed, omdat hij daar al vroeg in zijn carrière onderzoek had gedaan tijdens zijn samenwerking met Joanne Simpson. Voor zijn proefschrift ontwikkelde hij een driedimensionaal model van het weer in Florida dat kon worden gebruikt voor cloud seeding-experimenten die destijds werden uitgevoerd (waar hij nu tegen is). Dat model ontwikkelde zich in de loop der jaren verder en werd uiteindelijk het Regionaal Atmosferisch Modelleringssysteem, wereldwijd gebruikt, zoals door de regering van Brazilië. Het bood ook het perfecte gereedschap om zijn hypothese te testen.
Wat zou er gebeuren, vroegen hij en zijn medewerkers zich af, als ze het model zouden draaien voor relatief recente zomerperiodes waarin de bredere meteorologische omstandigheden bekend en geregistreerd zijn, maar het landgebruik terugdraaiden naar de toestand van voor 1900. Zou de verandering in landgebruik andere resultaten opleveren in de modellen? Dat deed het, vrij dramatisch. Zo steeg bijvoorbeeld in het eens veel nattere centrum van het schiereiland de dagelijkse maximumtemperaturen met wel 4C na de verandering van het land. Ondertussen nam de gemiddelde neerslag af met 10 – 12%.
De opwarming is intuïtief te begrijpen. Het drogere en minder begroeide land zal minder verdampende en transpirerende koeling genereren. Maar waarom minder regen? Dat heeft te maken met luchtstromingen. Let op het top-linker beeld waar rond het natte binnenland naaldbossen groeiden, die op hoger, droger land groeiden. De ochtendzon zou deze stroken land opwarmen, waardoor de lucht erboven zou stijgen, waarop de koelere oceaanlucht erin zou haasten, waardoor een zeewind ontstond. Een soortgelijk fenomeen zou ook landinwaarts plaatsvinden, waarbij de koelere lucht boven de moerassen naar buiten zou haasten richting de verwarmde marges. Landwind en zeewind zouden samenkomen in een vochtige, stijgende “convectieve convergentie”, ideaal voor neerslag. Maar de verandering van het land, door de landwind te verminderen, verminderde neerslag.
De volgende vraag was, als het droogleggen van moerassen en de verspreiding van agrarische/stedelijke ontwikkeling de regio had opgewarmd en uitgedroogd, hoe beïnvloedde dit dan de toenemende frequentie van winterse vorst? Op deze vraag waren de resultaten nog dramatischer. Omdat water een hogere warmtecapaciteit heeft dan droog land, konden de veengebieden en moerassen het dagelijkse warmte als een warmwaterkruik door de nacht vasthouden, waardoor de diepte en duur van winterse vorst werd afgezwakt. Het droogleggen ervan voor de landbouw droogde ook die temperatuurbufferende capaciteit uit, Het leek erop dat de vorst niet zozeer de agrarische ontwikkeling volgde, maar erdoor naar beneden werd getrokken.
Zoals je kunt zien, hebben de ecologie en het klimaat directe, op de grond gerichte implicaties, maar Pielke en zijn medewerkers maakten zich ook zorgen over de implicaties voor de wetenschap. Want als wordt aangenomen dat de componenten van ecologie en klimaat nauw met elkaar verbonden zijn, zoals het lijkt, dan kunnen die “componenten niet los van elkaar worden beschouwd als een nauwkeurig begrip en voorspellingen van het gekoppelde systeem moeten worden bereikt.”
En toch worden ze apart bekeken. Zoals Pielke opmerkt, verklaren de klimaatbeoordelingen van het IPCC een Fysische Wetenschappelijke Basis in hun beoordelingen, waarbij de vraag onbeantwoord blijft wat er gebeurt met de biologische kant van het klimaat. Wordt het erkend? Weerspiegelen de modellen biologische en gerelateerde hydrologische processen? Neemt het IPCC landverandering op in hun beoordelingen?
Wat gebeurd er met de biologische kant van het klimaat?
Het is een moeilijke vraag om te beantwoorden. Ze doen het en ze doen het niet echt, een situatie waar Pielke enige duidelijkheid probeert te brengen.
Laten we beginnen met de fysische wetenschappelijke basis. Wat is dat? Een rapport uit 1979 van het eerste Wereldklimaatcongres van de Wereld Meteorologische Organisatie geeft ons enkele aanwijzingen. In een hoofdstuk getiteld “De fysische basis van het klimaat” staat: “Net als alle andere fenomenen in de natuur, worden het klimaat en de veranderingen ervan vermoedelijk geregeerd door natuurwetten, en het begrijpen van die wetten is het doel van modern klimaatonderzoek.” Het gaat verder met te zeggen: “Dit vertegenwoordigt de meest rationele benadering van het probleem, en de mogelijkheden van wetenschappelijke klimaatvoorspelling en controle rusten direct op ons begrip van de fysische processen die daarbij betrokken zijn.”
Maar wordt het klimaatsysteem geregeerd door fysische wetten? Het is nogal een bewering. Een arts die wordt geconfronteerd met de symptomen van een patiënt komt niet ver als hij of zij de biologische toestand van de patiënt probeert te reduceren tot fysieke gegevens die door wiskundige vergelijkingen moeten worden gehaald voor een diagnose. Het aardsysteem is oneindig veel complexer. Kunnen we verwachten dat het klimaatsysteem van een levende planeet volledig wordt begrepen op dezelfde manier?
Het is een mechanisch perspectief dat teruggrijpt op een Newtoniaans klokwerkbeeld van het universum en op veel manieren als verouderd wordt beschouwd. Hoe ironisch dat een dergelijke muf aandoende aanname sommige van de meest geavanceerde computermodellering ooit heeft doordrongen. Het is alsof de verfijning van onze technologie is vooruitgegaan, terwijl de verfijning van ons denken dat niet heeft gedaan.
Samen met deze veronderstelling van een fysisch geregeerd klimaatsysteem lijkt nog een andere veronderstelling te komen: dat het klimaat buiten het systeem bestaat en van daaruit regeert. “Er wordt nog steeds algemeen aangenomen door velen dat de fysieke componenten van het aardsysteem … de ecologische componenten aansturen,” schrijft Pielke. Het is niet zo dat die fysieke processen, zoals de fysieke opwarming van de atmosfeer door broeikasgassen, niet bestaan. Ze bestaan wel, en alle biologische processen omvatten op de een of andere manier fysica. Maar het is een tweerichtingsverkeer. Ecologie stuurt ook het klimaat aan en dat introduceert een geheel nieuwe dynamiek in het plaatje. “In de echte wereld,” zegt hij “is er geen “fysiek” klimaatsysteem op aarde. Er is alleen een fysieke component van het aardsysteem.” Als je een klimaat wilt zien dat alleen door natuurkunde wordt beheerst, moet je naar Mars gaan.
Let ook op de conclusie van Gates, “de mogelijkheden van wetenschappelijke klimaatvoorspelling en controle rusten direct op ons begrip van de fysische processen die daarbij betrokken zijn.” Hier zien we het doel van de fysische wetenschappelijke basis, om ons een middel te geven voor wiskundige voorspelling. Redelijk genoeg, en belangrijk. Maar gezien de ecologische complexiteit van het klimaatsysteem, moet het dan ons enige middel van voorspelling zijn? Men kan met een redelijke zekerheid voorspellen dat als je een bos kaapt, het meteen warmer en droger wordt op die plek, en dat zal de lokale en daarmee de regionale, en uiteindelijk de wereldwijde klimaat beïnvloeden. Men kan ook voorspellen dat als het bos wordt omgezet in industriële monocultuur, de bodems zullen degraderen en uitdrogen en de plantage, gebrek aan biologische complexiteit en hydrologische functie, vatbaar zal worden voor ziekte en brand. Men kan verder voorspellen dat na zo’n brand de onbeschermde grond vatbaar zal zijn voor erosieve regens, waarbij vitale bodem verloren gaat, zodat het in de zomer nog vatbaarder zal zijn voor droogte, terwijl het tegelijkertijd bijdraagt aan.
Heel weinig van deze activiteit wordt echter weergegeven in de modellen. En dat was eigenlijk ook niet de bedoeling. De oorspronkelijke modellen waren specifiek ontworpen voor één ingrediënt van het klimaatsysteem, CO2, en de oorspronkelijke vraag was eenvoudig: wat zou er gebeuren als je de concentraties CO2 in de atmosfeer verdubbelde? Het is een belangrijke vraag, en numerieke modellen bieden een nuttig hulpmiddel om een antwoord te krijgen. Pielke, die niet alleen modellen bouwt maar ook boeken over hen heeft geschreven, begrijpt net zo goed als iedereen hoe “praktisch krachtig” dergelijke hulpmiddelen zijn. Maar omdat hij ze zo goed kent, ziet hij ook hun beperkingen.
Hebben we het gereedschap verwisseld met het onderwerp? Hebben we een legitiem middel om één factor van het klimaatsysteem, CO2, te voorspellen en het over het hele systeem gegooid? In plaats van een hulpmiddel lijkt de fysische wetenschappelijke basis meer op een dogma geworden, waaraan alles moet worden aangepast, zelfs als het niet goed past.
In werkelijkheid is CO2, zoals Pielke en anderen vaak hebben betoogd, slechts een kleine factor in het klimaat en het klimaatsysteem. En toch blijven onze modellen erop gericht. En zoals Pielke benadrukt, zijn de gevolgen van veranderingen in landgebruik nog nauwelijks onderzocht. Zijn hypothese was ongetwijfeld provocerend, maar zijn conclusies zijn ondersteund door zijn gegevens en analyses.
Het punt is dat we geen volledig begrip van het klimaatsysteem kunnen hebben zonder de ecologie ervan te begrijpen. We kunnen het klimaat niet “controleren” zoals Gates het stelt, zonder ook het landschap en de levende wezens die het bewonen te controleren. Dit is waar Pielke en anderen zoals hij, die vaak als “klimaatsceptici” worden bestempeld, hun vinger op leggen. Hun zorgen gaan niet over het ontkennen van de fysica van het klimaat, maar over het in twijfel trekken van het dogma dat klimaatverandering alleen wordt veroorzaakt door CO2 en dat de oplossing ligt in het verminderen van onze CO2-uitstoot.
De natuur is veel complexer dan dat. En als we echt de impact van menselijke activiteiten op het klimaat willen begrijpen, moeten we veel breder kijken dan alleen de concentratie van één gas. We moeten kijken naar het geheel van menselijke activiteiten en hoe ze het landschap veranderen, hoe ze ecosystemen verstoren en hoe die veranderingen vervolgens het klimaat beïnvloeden. Dat is het punt dat Pielke maakt, en het is een punt dat serieus moet worden genomen als we echt willen begrijpen hoe het klimaatsysteem werkt en hoe we het kunnen beïnvloeden.
Wil je meer lezen over de stand van onze natuur?