Het klimaat en de koolstofcyclus

Het klimaat verandert, voornamelijk door de uitstoot van broeikasgassen door de mens (figuur 1). De voornaamste broeikasgassen zijn daarbij kooldioxide (CO2) en methaan (CH4), waarin het element koolstof (C) een belangrijke onderdeel is. Het KNMI heeft in samenwerking met andere Europese instituten het mondiale klimaatmodel EC-Earth ontwikkeld en daar recent de wereldwijde koolstofcyclus aan toegevoegd. Hierdoor kunnen de vele complexe interacties tussen het klimaat en de natuurlijke koolstofcyclus worden onderzocht en scenario's voor de toekomst worden bepaald.

Natuurlijke koolstofcyclus

De aarde herbergt een natuurlijke koolstofcyclus, waarbij koolstof in de vorm van CO2, CH4 en andere verbindingen op allerlei manieren door de diverse componenten (atmosfeer, biosfeer, oceanen, en ook de ondergrond) beweegt. In de atmosfeer wordt CO2 door de wind goed gemengd. De biosfeer (planten op land maar ook oceanisch plankton) neemt koolstof op tijdens de fotosynthese. Ook de oceanen nemen CO2 op, dat in opgeloste vorm naar diepere delen wordt getransporteerd of wordt opgenomen door plankton. Als plankton afsterft, zakken de skeletjes (van koolstof) naar de oceaanbodem, waar het op tijdschalen van miljoenen jaren wordt omgezet in gesteenten (zoals kalksteen, CaCO3).

Klimaat-koolstofcyclus

De sterke uitstoot van broeikasgassen en de toenemende hoeveelheid koolstof in de atmosfeer verstoort de natuurlijke koolstofcyclus (figuur 2). Een deel van de “extra” koolstof wordt opgenomen door planten, en een ander deel door de oceanen. Wat in de atmosfeer overblijft veroorzaakt de stijging van het CO2-gehalte, en dus het versterkte broeikaseffect en opwarming. Klimaatprocessen in de atmosfeer, oceanen en land beïnvloeden in sterke mate de koolstofcyclus. Tegelijkertijd bepaalt de koolstofcyclus (door middel van het CO2- en CH4-gehalte in de atmosfeer) in belangrijke mate het klimaat. De koolstofcyclus en het klimaat zijn dus sterk met elkaar gekoppeld, op allerlei manieren. Om dit complexe systeem beter te begrijpen en om toekomstige veranderingen in zowel klimaat als koolstof te bepalen, zijn zogenoemde aardsysteemmodellen (Earth System Models, of ESM's) ontwikkeld.

Aardsysteemmodellen

ESM's zijn beschrijvingen van het klimaatsysteem waarin ook de koolstofcyclus is opgenomen, inclusief de belangrijkste interacties tussen beide systemen. Met deze ESM's kunnen we het natuurlijke klimaat-koolstofsysteem onderzoeken, maar ook de invloed van verhoogde emissies van CO2 op het klimaatsysteem én op de koolstofcyclus. Omdat beide systemen tegelijkertijd veranderen en van elkaar afhankelijk zijn, kunnen ESM's verrassende inzichten geven (bijvoorbeeld wat betreft Arctisch plankton). Een andere interessante toepassing van ESM's betreft het modelmatig testen van ideeën om klimaatverandering tegen te gaan of af te zwakken. Een voorbeeld hiervan is om de model-oceanen te bestrooien met ijzerdeeltjes, wat de algengroei kan versterken en zo de opname van koolstof door de oceanen kan vergroten.

EC-Earth

Het KNMI heeft in samenwerking met andere Europese instituten het mondiale klimaatmodel EC-Earth ontwikkeld en daar recentelijk de gehele koolstofcyclus aan toegevoegd, zodat EC-Earth een volledig Earth System Model is geworden. Hierdoor kunnen (in samenwerking met universiteiten) de vele complexe interacties tussen het klimaat en de koolstofcyclus worden onderzocht, en toekomstscenario’s voor het gekoppelde systeem worden bepaald. Als zodanig vormt EC-Earth een belangrijk onderdeel van het eerstvolgende IPCC-rapport dat in 2021 verschijnt, en draagt het ook bij aan de komende KNMI-klimaatscenario’s voor Nederland.

KNMI-klimaatbericht door Richard Bintanja