Is er een ramp op komst of kunnen we gerust zijn? Hoewel ’s werelds grootste supercomputers de laatste decennia bergen gegevens hebben verstouwd en de klimaatmodellen aanzienlijk zijn verbeterd, is de toekomst nog altijd onzeker.
Want de resultaten van die modellen fluctueren. Ze voorspellen voor het jaar 2100 temperatuurstijgingen tussen de 0,5 en 3,5 °C – met uiteraard twee totaal verschillende situaties tot gevolg.
Wordt het 0,5 °C warmer op aarde, dan nemen extreme weersverschijnselen zoals wolkbreuken en zware orkanen in aantal en kracht toe, maar daar kunnen we nog mee leven.
Wordt het hier echter 3,5 °C warmer, dan krijgen we met een klimaatramp te maken waarbij honderden miljoenen mensen moeten vluchten voor droogte, hittegolven, bosbranden, overstromingen en orkanen.
Welk scenario het ook wordt, we moeten iets doen.
De vraag is alleen wát, en om daar inzicht in te krijgen moeten de modellen ons precies vertellen hoe het klimaat gaat veranderen en waar de veranderingen het hardst zullen toeslaan.
Wereldklimaatmodellen draaien op supercomputers zoals deze Cray XC40 van de Duitse universiteit van Stuttgart. Hij kan 7,4 biljard berekeningen per seconde maken.
Kunstmatige intelligentie en patronen in satellietmetingen moeten wetenschappers nu helpen de wolkvorming te simuleren en te achterhalen waarom het ijs precies smelt.
Dat zal ons voor het eerst een duidelijk beeld geven van de toekomst van de aarde.
Supercomputers berekenen klimaat
De meest geavanceerde klimaatmodellen, globale circulatiemodellen geheten, kijken naar de atmosfeer, ijskappen, ecosystemen en oceanen van de aarde.
Doordat ze zijn gekoppeld, berekenen de modellen ook hoe delen van het klimaatsysteem van de aarde elkaar beïnvloeden.
Bij warmere lucht stijgt bijvoorbeeld ook de verdamping uit zee, waardoor het watergehalte in de atmosfeer en dus de hoeveelheid neerslag toeneemt.
Het samenspel tussen allerlei factoren wordt beschreven in zeer ingewikkelde computercodes, die alleen verwerkt kunnen worden door clusters van supercomputers.
1500 biljard berekeningen per seconde is het doel voor de supercomputer Frontier.
Concreet beschrijven de modellen het klimaatsysteem in een driedimensionaal netwerk dat atmosfeer, zee en land verdeelt in blokken. In elk blok worden alle relevante klimaatvariabelen, zoals temperatuur, druk, neerslag en wolken, beschreven alsof ze in dat blok gelijkmatig zijn.
De blokken meten veelal 100 x 100 kilometer in het horizontale vlak en één laag van de atmosfeer of zee in het verticale vlak. Die lagen hebben elk een dikte van circa 11 kilometer, en de modellen bevatten meestal zo’n 30 lagen atmosfeer en 20 lagen zee.
Het netwerk geeft echter alleen een benadering van de werkelijkheid, want in het echt kan de ene kant van zo’n blok bewolkt zijn, terwijl in de rest de zon schijnt.
Modellen snijden de lucht in blokken
Computermodellen simuleren het klimaat door de atmosfeer in blokken te verdelen en dan met formules van de thermodynamica of de algemene gaswet voor elk blok de temperatuur, druk en luchtvochtigheid te berekenen.
De atmosfeer wordt verdeeld in duizenden blokken van circa 100 kilometer in de lengte en in de breedte.
De modellen nemen mee hoeveel zonlicht de atmosfeer binnenkomt.
Ze simuleren verschijnselen als wolken, wind en neerslag.
Ze berekenen verdamping en straling van verschillende soorten bodems.
De computers delen ook de tijd in fasen op en berekenen de stroom van blok naar blok (in de vorm van winden en zeestromen) meestal met intervallen van een half uur.
In het ideale geval zijn de blokken maar een kubieke kilometer groot en duren de tijdfasen enkele seconden, maar dat kan niet met de huidige rekenkracht.
Daarom wordt het hoofdmodel, dat stevig wortelt in de natuurkundewetten, aangevuld met een soort vuistregels die rekening houden met de onzekerheden.
Maar deze vuistregels zijn gebaseerd op schattingen en wegingen die per model verschillen, waardoor de uitkomst van de modellen alle kanten op kan.
Verleden stelt modellen op proef
Een grote stap naar betere klimaatmodellen is om hun nauwkeurigheid te testen en ze te corrigeren als ze ernaast zitten.
Uiteraard kunnen onderzoekers niet 50 jaar wachten om te zien of de resultaten kloppen, en dus testen ze de modellen door ze het klimaat van het verleden te laten simuleren.
Wetenschappers hebben gegevens over de luchttemperatuur per jaar, tot het einde van de ijstijd 11.700 jaar terug. De informatie is afkomstig van Groenlandse ijskernen en metingen van boomringen.
De historische ontwikkeling blijkt overeen te komen met de resultaten van de klimaatmodellen.
Toekomstvoorspellingen
Klimaatmodellen zijn het niet met elkaar eens
Sneeuw kaatst een groot deel van het zonlicht terug naar de ruimte, waardoor het de aarde niet kan opwarmen. In de toekomst zal het sneeuwdek teruglopen, maar de klimaatmodellen zijn het er niet over eens hoe dat de hoeveelheid gereflecteerd zonlicht precies zal beïnvloeden.
Voorjaar toont het verband aan
Met behulp van satellietmetingen van het smeltende ijs elk voorjaar kunnen onderzoekers vaststellen hoe de stijgende temperaturen de hoeveelheid gereflecteerd zonlicht beïnvloeden.
Verband geeft een glimp van de toekomst
De stijgende temperaturen in het voorjaar zijn een goede indicatie voor de opwarming van de aarde, en onderzoekers kunnen hun kennis over het voorjaar gebruiken om de onzekerheid over de toekomst te verminderen.
Ook zijn er metingen van de luchttemperatuur vanaf 1850.
Die nemen de klimaatmodellen mee, maar alleen als ze onze uitstoot van broeikasgassen omvatten. Als de uitstoot wordt weggelaten, zitten de modellen er flink naast, want ze kunnen de wereldwijde temperatuurstijging van 1,1 °C die zich sinds 1880 heeft voorgedaan niet reproduceren.
Maar op verschillende punten hebben de klimaatmodellen tot nu toe de gevolgen van de opwarming van de aarde onderschat. Dit geldt bijvoorbeeld voor de ijskappen op Groenland en Antarctica, die sinds 2000 nog sterker zijn geslonken dan was voorspeld.
De modellen zijn wel al verbeterd en houden er nu rekening mee dat gletsjers van onderaf smelten door warmer zeewater.
IJsvrije zee versterkt opwarming
Het zee-ijs in het Noordpoolgebied smelt ook sneller dan verwacht, maar doordat er patronen zijn ontdekt in tientallen jaren van satellietmetingen, is gebleken op welk punt de klimaatmodellen tekortschieten.
De terugtrekking van het zee-ijs is voor de hele wereld van belang, omdat het witte ijs veel zonlicht terug naar de ruimte kaatst, terwijl de donkere, open zee het grootste deel van de energie uit zonlicht absorbeert en veel warmte de atmosfeer in stuurt.
Uit berekeningen blijkt dat er nu zo veel meer zonne-energie wordt geabsorbeerd dat dit sterk heeft bijgedragen aan de opwarming van de aarde: voor ongeveer een kwart van de bijdrage die het stijgende gehalte van koolstofdioxide in de atmosfeer levert.
Daarom is het belangrijk om precies te voorspellen hoe snel het zee-ijs smelt.
Alle klimaatmodellen voorzien dat de Noordelijke IJszee in de zomer ijsvrij zal worden als de uitstoot van kooldioxide doorgaat zoals nu.
Sommige modellen wijzen erop dat het al over tien jaar zo ver is, terwijl andere voorspellen dat het pas eind deze eeuw te gebeuren staat.
Om de onzekerheid te verkleinen, hebben Amerikaanse onderzoekers de satellietmetingen die sinds 1979 zijn verzameld, grondig bekeken.
33,1 miljard ton kooldioxide stooten we in 2018 uit: 1,7 procent meer dan in 2017.
In deze periode was de ijslaag pas in september gehalveerd van circa 8 miljoen vierkante kilometer in 1979 tot nog geen 4 miljoen vandaag de dag. Tegelijkertijd is het ijsvolume met 75 procent gedaald, want er is steeds meer dun, vers ijs.
De Amerikaanse klimaatwetenschapper Alex Hall ontdekte samen met zijn collega’s dat de verandering in de verhouding van dun, vers ijs en het dikkere, meerjarige ijs het snelle smelten kan verklaren.
En het klimaatpanel van de VN heeft deze kennis nu gebruikt om de voorspellingen te verfijnen. De resultaten geven aan dat de ijszee al in het midden van deze eeuw ijsvrij zal zijn in de zomer.
VIDEO: Kooldioxide ligt als een zware deken over het noordelijk halfrond
Het zee-ijs trekt zich terug door het vele koolstofdioxide in de atmosfeer. Maar hoe sterk kooldioxide de aarde precies opwarmt, is niet bekend.
Het gas absorbeert infrarode warmtestraling van de aarde, die anders in de ruimte zou verdwijnen. Maar de straling omvat een spectrum van verschillende golflengten en koolstofdioxide absorbeert niet alle golflengten even goed.
De klimaatmodellen rekenen met een gewogen gemiddelde van de absorptie van alle golflengten, maar elk model heeft zijn eigen methode om het gemiddelde uit te
rekenen, waardoor de uitkomsten afwijken.
Nieuwe modellen moeten daarom elke golflengte berekenen, waarmee de onzekerheid afneemt. Deze methode vereist alleen wel een enorme rekenkracht.
Straling wordt uiteengerafeld
Optelling van golflengten
Wanneer onderzoekers berekenen hoeveel warmte koolstofdioxide absorbeert, gebruiken ze een gewogen gemiddelde van de absorptie bij alle golflengten van warmtestraling.
Onderzoekers meten afzonderlijke golflengten
Nu willen de wetenschappers de modellen leren om de afzonderlijke golflengten van de absorptie van kooldioxide te berekenen. Dat vereist bergen rekenkracht, maar het resultaat is ernaar.
Nieuwe modellen maken een eind aan de onzekerheid
De oude modellen zijn niet duidelijk over het vermogen van kooldioxide om de aarde op te warmen. De nieuwe modellen verminderen de onzekerheid aanzienlijk doordat ze nauwkeuriger zijn.
Wolken zitten wetenschap dwars
Nog lastiger is het om het wolkendek van de toekomst te berekenen, dat grote invloed heeft op de resultaten van de modellen. Want wolken kunnen zowel afkoelen als verwarmen.
Dichte, lage wolken koelen de aarde doordat ze grote hoeveelheden zonlicht naar de ruimte reflecteren, terwijl hoge, dunne wolken licht doorlaten en warmte van het aardoppervlak absorberen.
Dichte, lage bewolking komt het meest voor, dus het netto-effect is koeling. Maar in een warmere lucht kunnen meer soorten wolken voorkomen, en ook de geografische spreiding kan veranderen.
De dichte, lage bewolking ligt tegenwoordig vooral boven de tropen, maar veranderende windsystemen kunnen lage wolken naar de polen stuwen.
Hier kunnen ze alleen het zwakke zonlicht in de gematigde zones reflecteren in plaats van het felle tropische zonlicht. Daarom kan de bewolking de aarde gaan opwarmen in plaats van verkoeling te brengen.
Nauwkeurige klimaatvoorspellingen zijn lastig omdat wolken op veel kleinere schaal ontstaan dan in de grote atmosfeerblokken waarmee modellen werken. Daarom willen Amerikaanse wetenschappers nu modellen uitwerken op basis van AI, die aan de hand van satellietmetingen de wolkenvorming in een realistisch volume van enkele kubieke kilometers moeten simuleren.
De resultaten worden verwerkt in de mondiale modellen.
Modellen voorspellen toekomst
De afgelopen jaren kunnen de modellen het klimaat veel beter voorspellen, voor enkele decennia of zelfs eeuwen in de toekomst. Maar het klimaat verandert nú, en daarom willen autoriteiten wereldwijd weten hoe hun kleine stukje aarde binnen een paar jaar concreet zal worden beïnvloed.
Daarom maken onderzoekers modellen die de lokale omstandigheden beter voorspellen en een duidelijker beeld geven van de klimaatontwikkeling binnen tien jaar.
Vooral Groot-Brittannië is daar al ver mee. Hier hebben onderzoekers in 2016 een groot rapport opgesteld waarin het risico van overstromingen in verschillende delen van Engeland en Wales voor de komende jaren wordt besproken. Dit was mogelijk dankzij weergegevens van satellieten van tientallen jaren.
De onderzoekers ontdekten onder andere dat de hoeveelheid neerslag tijdens zware winterbuien de komende tien jaar waarschijnlijk met 10 procent stijgt, tot zelfs 30 procent in Zuidoost-Engeland. De zeer gedetailleerde resultaten dienen nu als leidraad voor de Britse regering, die zeker 1 miljard euro wil steken in zeeweringen.