Klimaatverandering | huidige en toekomstige ontwikkelingen

Huidige en toekomstige ontwikkelingen

1rightarrow blue.svg Zie Opwarming van de Aarde voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Het onderzoek naar het klimaat in het geologische verleden heeft laten zien dat zich grote variaties in het klimaat voorgedaan hebben. Het huidige klimaat lijkt in dit perspectief relatief koel te zijn. De ijstijden die zich de laatste twee miljoen jaar van het Pleistoceen voorgedaan hebben waren mild in vergelijking met de ijstijden in het Precambrium, zoals tijdens het Cryogenium. Momenteel wordt een stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde waargenomen. Deze constateringen roepen vragen op over de verandering van het klimaat op kortere termijn, zoals de klimaatverandering in de komende eeuw, en op de geologische tijdschaal, zoals de ontwikkelingen over de komende miljoenen of miljarden jaren.

Koolstofkringloop

Industrie langs de Jangtsekiang in China

De koolstofflux in de koolstofkringloop die tussen de atmosfeer en andere systemen op aarde verloopt bedraagt naar schatting rond de 150 gigaton per jaar.[10] De atmosfeer zelf bevat ongeveer 750 gigaton koolstof zodat ongeveer 20 % van deze hoeveelheid jaarlijks met andere systemen op aarde uitgewisseld wordt. Daarbij gaat het voornamelijk om de opname en afgifte met de vegetatie van ongeveer 60 gigaton en de opname en afgifte door het zeewater van rond de 90 gigaton koolstof per jaar. De totale uitstoot als resultaat van menselijke activiteiten bedroeg volgens gegevens uit 1995 naar schatting 22 gigaton per jaar.[11] In 2010 zou die uitstoot zijn gestegen tot naar schatting 30,6 gigaton. Dat is ongeveer 15 à 20 % van de totale kooldioxide-uitstoot op aarde en dat is veel. Daarvan was in 1995 ongeveer 5,5 gigaton uitstoot per jaar, ongeveer een kwart, door de verbranding van fossiele brandstoffen.[bron?]

De verblijftijd van kooldioxide in de atmosfeer is niet in een tijdsduur uit te drukken. Een klein deel van de CO2 verdwijnt al binnen enkele jaren uit de atmosfeer, het grootste deel is na ongeveer 100 jaar uit de atmosfeer verdwenen en ruwweg een kwart verdwijnt pas uit de atmosfeer na tienduizenden jaren, afhankelijk van de totale emissies. Onzekerheid in deze processen is de rol van de biosfeer, en dan met name de rol van verschillende micro-organismen in de koolstofkringloop. Effecten als sedimentatie van kalkrijke resten en vulkanisme zijn op korte termijn vrij klein maar kunnen op de geologische tijdschaal veel gewicht in de schaal leggen. Het kooldioxidegehalte van de atmosfeer heeft invloed op de pH, of zuurgraad, van het zeewater en daarmee ook op de oplosbaarheid van kooldioxide, het leven in zee en de sedimentatie. De pH van het zeewater is sinds de industriële revolutie gedaald van 8,2 naar 8,1. Hoe de koolstofkringloop zich de komende eeuw gaat ontwikkelen is onderwerp van onderzoek en discussie.

Waarnemingen en modelberekeningen

Klimatologisch meetstation op Antarctica

Sinds het begin van de 20e eeuw is de gemiddelde temperatuur met ongeveer 0,85 °C gestegen. Deze temperatuurstijging wordt zeer waarschijnlijk veroorzaakt door menselijke activiteiten: door het verbranden van fossiele brandstoffen, ontbossing en bepaalde industriële en landbouwactiviteiten is de concentratie aan broeikasgassen in de aardatmosfeer sterk gestegen sinds 1750.

Modelberekeningen geven aan dat de gemiddelde temperatuur op aarde tussen 1990 en 2100 met 0,3 °C tot 4,8 °C stijgt. Met name temperatuurstijgingen van meer dan 2 °C zouden grote veranderingen met zich meebrengen voor mens en milieu, door zeespiegelstijging, toename van droogte- en hitteperioden, extreme neerslag en andere effecten.[12] Van verschillende kanten wordt ook de nodige kritiek geleverd op de rapporten van het IPCC.

In het Kyotoprotocol hebben industrielanden afgesproken om de uitstoot van CO2 in de periode 2008-2012 gemiddeld met 5 % te verminderen ten opzichte van 1990. De onderhandelingen over uitstootverminderingen na 2012 zijn nog in volle gang.

Geochemie en de koolstofkringloop

Florenciet, een magnesiumcarbonaat MgCO3 of magnesiet

De hoeveelheid koolstof die zich in de atmosfeer, fossiele brandstofvoorraden, veenpakketten en de biomassa in de biosfeer bevindt, bedraagt in totaal enkele teratonnen. Dat is weinig vergeleken bij de hoeveelheid koolstof die in de vorm van carbonaten in gesteenten en zeewater opgeslagen is, een hoeveelheid in de orde van 100 petaton. Bovendien zijn er ruim voldoende magnesium-ionen in de aardkorst aanwezig, in basaltlagen als olivijn, om alle koolstof uit de atmosfeer en biosfeer via verweringsprocessen in de vorm van het carbonaat magnesiet te binden. Magnesiet heeft een lage energie en olivijn bindt kooldioxide op efficiënte wijze.

Als de zonneactiviteit buiten beschouwing gelaten wordt is de Aarde thermodynamisch gezien een open systeem in een universum met een gemiddelde temperatuur van ongeveer 2,7 Kelvin of ongeveer −270 °C. Op geologische tijdschaal valt het te verwachten dat de kern van de Aarde in deze koude omgeving langzaam afkoelt. Koolstof die in de aardkorst opgeslagen is zal minder snel weer vrijkomen door het afnemende vulkanisme. De koolstof die in de koolstofkringloop tijdens verweringsprocessen oplost, neerslaat en in sedimenten wordt vastgelegd, wordt daardoor in toenemende mate aan de atmosfeer en de biosfeer onttrokken. Uiteindelijk zal de CO2-concentratie in de atmosfeer dalen en zullen ijstijden meer voorkomen en langer duren als alle andere omstandigheden ongewijzigd blijven.

Geofysische processen

Subductie van een oceanische onder een continentale plaat.
1 - oceanische korst
2 - lithosferische mantel
3 - asthenosfeer
4 - continentale korst
5 - gebergtevorming en vulkaanboog
6 - oceanische trog.

De convectie in de aardmantel is de drijvende kracht achter de Wilsoncyclus en de platentektoniek die de verdeling van aardmassa's over het aardoppervlak bepaalt. De oceaanbodem bestaat voor het grootste deel uit zwaar mafisch basalt. De plaat groeit vanuit een mid-oceanische rug aan en zakt na afkoeling in een subductiezone weer onder de lithosfeer terug in de aardmantel. De dikte van de plaat is dan gegroeid van enkele tientallen kilometers boven de mid-oceanische rug tot ongeveer 200 km bij de subductiezone. Aan de randen van de continentale korsten worden vaak relatief smalle bergruggen met vulkanen gevormd die uit lichtere stollingsgesteenten bestaan. In het geval van continentale collisie vormen zich bredere bergruggen en hoogvlakten zoals in het geval van de Alpen, de Himalaya en Tibet. De afstanden waarover platen ten opzichte van elkaar verschuiven bedraagt nu ongeveer 1 tot 5 cm per jaar. De snelheid waarmee de bodem kan stijgen of dalen waardoor gebergten worden gevormd en in de Aarde wegzinken varieert tegenwoordig van enkele millimeters tot een centimeter per jaar.

De zware basische of mafische basalten bestaan voor een groot deel uit verbindingen tussen ijzer, SiO2 en magnesium. De lichtere zure of felsische stollings- en afzettingsgesteenten, waaruit de continenten en veel bergruggen opgebouwd zijn, bestaan voor een groot deel uit graniet en mineralen variërend van kwarts SiO2 en veldspaat, zoals albiet NaAlSi3O8, tot pyriet (FeS) en mengsels als graniet. Daarnaast bestaan grote delen van het continentaal plat uit krijtgesteente en kalksteen CaCO3 of afzettingen van zand, klei en löss met een relatief laag soortelijk gewicht. Veel graniet wordt aan basis van de continentale massa gevormd boven de Mohorovičić-discontinuïteit, de overgang naar de diepere basaltlaag meestal op 35 à 60 km diepte.

De zure of mafische basaltlagen, zoals olivijn, kunnen kooldioxide goed binden maar ze liggen meestal niet direct aan het oppervlak zoals veel felsische gesteenten. Tijdens vulkaanuitbarstingen kunnen kooldioxide en zwaveloxiden (SOx) vrijkomen die in magmakamers door de thermische metamorfose of pyrolyse van gesteenten gevormd zijn. Vulkanisme verhoogt de concentraties van zwaveloxiden en kooldioxide die het milieu verzuren waardoor veel soorten veelal jonge gesteenten kunnen verweren. Bij verwering wordt veel kooldioxide gebonden.

De aardkern en de aardmantel worden hoofdzakelijk op temperatuur gehouden door het spontane radioactieve verval van radioactieve isotopen waaronder de uranium-235-, uranium-238-, thorium-232- en kalium-40-isotopen. Het 235U-isotoop heeft een halfwaardetijd van 700 miljoen jaar zodat de warmteontwikkeling ten gevolge van het verval van uranium-235 in de Aarde elke 700 miljoen jaar met de helft vermindert. Sinds het ontstaan van de Aarde is de warmteontwikkeling ten gevolge van het verval van uranium-235 al met 99 % gedaald. De daling van de warmteontwikkeling heeft op langere termijn gevolgen voor de convectie in de aardmantel en de platentektoniek. Het vulkanisme zal daardoor op lange termijn afnemen en de platentektoniek zal vertragen. De stijging en daling van de bodem die voor gebergtevorming zorgt zal vertragen. Daardoor neemt de verwering af waardoor de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer per saldo toeneemt en het klimaat warmer wordt.

Variërende obliquiteit

Obliquiteit van de aardas

De obliquiteit, of de hoek die de aardas maakt met de normaalvector van het vlak van de aardbaan, varieerde de afgelopen 5 miljoen jaar tussen 22.0425° en 24.5044° met een periode van 41.000 jaar. De afstand tot de Maan heeft invloed op deze variaties. De afstand van de maan tot de Aarde neemt in de komende 1,5 miljard jaar ten gevolge van getijdenvelden toe van 60 tot 66,5 keer de aardstraal. Hierdoor gaat de obliquiteit variëren tussen 22° en 38°. Over 2 miljard jaar zal de variatie in obliquiteit verder opgelopen zijn tot tussen 27° en 60°.

De grotere obliquiteit heeft tot gevolg dat op lagere breedtegraden de verschillen tussen de seizoenen groter worden omdat de variatie in de stand van de zon boven de horizon groter wordt waardoor ze gemiddeld minder hoog aan de hemel staat. Het gevolg is dat de gemiddelde jaartemperatuur daalt op lagere breedtegraden. Op hogere breedtegraden en op de polen gebeurt het omgekeerde. Tijdens de winterperioden daalt de temperatuur ongeveer naar dezelfde waarde als voorheen maar tijdens de zomerperioden stijgt de gemiddelde temperatuur naar hogere waarden omdat de dagen langer worden en de zon gemiddeld hoger boven de horizon komt te staan. De gemiddelde jaartemperatuur zal daardoor toenemen op hogere breedtegraden.

De huidige waarde van de obliquiteit is 23,44° en ze is aan het afnemen. Dat betekent dat de gemiddelde jaartemperatuur op de polen en in streken met een gematigd klimaat momenteel zou moeten dalen en dat de Aarde, in normale omstandigheden op weg zou zijn naar een volgend glaciaal. Wat de invloed van de opwarming van de Aarde hierop is, wordt nog onderzocht.

Zonneactiviteit

Ontwikkeling van de Zon tijdens de hoofdreeksfase,
na <300, 650, 2000 en 4500 miljoen jaar.

Naast het effect van de concentraties van broeikasgassen heeft onder andere de zonneactiviteit grote invloed op het klimaatsysteem. Kort na het ontstaan van de Zon uit de zonnenevel, als G2 ster uit de hoofdreeks, was de activiteit van de Zon aanvankelijk ongeveer 30 % lager dan nu. Daarbij zond ze echter honderden malen meer ultraviolette en röntgenstraling uit dan tegenwoordig. Na enige honderden miljoenen jaren was de Zon redelijk gestabiliseerd. De zonneactiviteit neemt langzaam toe omdat de massa, de dichtheid en de druk in de kern van de zon langzaam toenemen. Deze veranderingen zijn het gevolg van de toename van de concentratie ven zwaardere atoomkernen waardoor het kernfusieproces in de zonnekern zichzelf versnelt. De mantel wordt daardoor heter en zet steeds verder uit.

Onderzoek en huidige ontwikkelingen

Volgens sommige onderzoekers kan de zonneactiviteit tot ongeveer 10% variëren over langere perioden. Metingen van de vermogensflux van de zonnestraling op aarde tijdens de laatste perioden van de zonnecyclus, van 1975 tot 2005, laten een periodieke variatie zien van minder dan 0,1 % die tussen 1365,5 en 1366,5 W / m² ligt.

In de 20e eeuw was volgens enkele wetenschappers de zonneactiviteit, zoals te zien is aan zonnevlekken, zonnewind en magnetische stormen, extreem hoog. De laatste jaren is er een significante afname in de zonneactiviteit. Sterrenkundige Kees de Jager[13][14] meent een duidelijke overeenkomst te zien met de goed gedocumenteerde geringe zonneactiviteit tijdens de 'kleine ijstijd'. Hij verwacht dat er in de nabije toekomst een periode van lagere temperaturen zal aanbreken. De intensiteit van de in juni 2009 begonnen 24ste 11-jarige zonnevlekkenperiode zal volgens De Jager zijn lagere maximum waarschijnlijk in 2012 of 2013 bereiken. De effecten daarvan op het klimaat lopen daar wat op achter en zijn klein ten opzichte van de klimaatopwarming.

Een kritische beschouwing van de wetenschappelijke literatuur leert overigens dat de invloed van de zon waarschijnlijk te klein is om de waargenomen temperatuurstijgingen sinds de industriële revolutie te verklaren.[15][16][17][18]

Een andere mogelijke invloed van de zon op het klimaat verloopt mogelijkerwijs via de invloed van haar magnetische veld. Deze vormt een schild tegen kosmische deeltjes. De sterkte van dit schild zou potentieel van invloed zijn op de wolkvorming op onze planeet. Deze theorie wordt met name gepropageerd door de Deense klimaatwetenschapper Henrik Svensmark. Een laboratoriumexperiment, het CLOUD-project bij CERN, zal hier duidelijkheid in moeten verschaffen.[19] De eerste resultaten laten zien dat kosmische straling geen significante invloed heeft in de vorming van een bepaald soort aerosol, maar dat het voor andere aerosolen nog niet is uit te sluiten.[9]

Verre toekomst

Op langere termijn wordt de zon steeds warmer en groter. Over ruim een miljard jaar zou het daardoor op aarde zo warm zijn dat het grootste deel van het water in de oceanen verdampt. Alleen extremofiele organismen kunnen onder zulke omstandigheden overleven. Over ongeveer twee miljard jaar begint het klimaat op aarde veel op het huidige klimaat op Venus te lijken. Daarna begint de waterdamp in de atmosfeer te ontleden waarbij het waterstofgas aan de zwaartekracht van de Aarde ontsnapt en in de interplanetaire ruimte opgenomen wordt. Over 5,5 miljard jaar bereikt de Zon het stadium van rode reus. Daarbij neemt de straal van de Zon toe tot voorbij de baan van de planeet Venus en mogelijk zelfs tot voorbij de aardbaan. De Aarde zal voor die tijd verbranden en door getijdenvelden fijngemalen worden en uit elkaar vallen. De resten zullen verdampen en oplossen in de planetaire nevel die ontstaat uit de buitenste lagen die door de Zon afgestoten worden. De kern van de Zon trekt hierbij samen tot een witte dwerg.