In mijn woonplaats viel de afgelopen week net zoveel neerslag als normaal in een maand. April 2018 was een van de warmste maanden ooit. Zuid-Afrika kampt met een langdurige extreme droogte die grote gevolgen kan hebben voor de drinkwatervoorziening. Dit zijn voorbeelden van klimaatextremen als gevolg van klimaatverandering. Hoewel klimaatverandering een belangrijk maatschappelijk probleem is, ga ik in dit blog vooral in op de impact die klimaatverandering heeft op de natuur zelf en hoe dit ook de koolstofkringloop beïnvloedt. Extremen in Australië helpen ons dit beter te begrijpen.
De koolstofkringloop of koolstofcyclus is de kringloop van koolstofdioxide tussen het land, de oceaan en de atmosfeer. De natuur en de mens stoten koolstofdioxide uit die slechts voor een deel wordt opgenomen door het land en de oceaan. Wat niet wordt opgenomen, blijft in de atmosfeer. Extreme gebeurtenissen zoals droogte of extreme neerslag verstoren die cyclus.
Schema koolstofkringloop (Bron: National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)
Sinds de industriële revolutie neemt de hoeveelheid koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer toe. Deze toename heeft ook een invloed op het ecosysteem, doordat de groei en CO2-opname van planten wordt beïnvloed. Als we meer begrijpen van de invloed op het ecosysteem, kunnen we hopelijk beter bepalen wat de gevolgen zijn van de opwarming van de aarde.
Satellieten
Voor mij als klimaatonderzoeker is het fantastisch om te leven in een tijd waarin een overvloed aan gegevens beschikbaar is. Dat komt doordat een groot aantal satellieten ons dagelijks metingen verschaft over de atmosfeer, het ecosysteem en de waterhuishouding van onze planeet. Dat geeft mij de mogelijkheid om te kijken naar de verbanden tussen verschillende metingen, zoals droogte en de productiviteit van planten. Vervolgens moet ik achterhalen of er verbanden zijn tussen die verschillende metingen. Dit is dus echt speurwerk.
De Japanse GOSAT-satelliet meet de broeikasgassen kooldioxide en methaan in de atmosfeer (Bron: JAXA)
Bij ruimteonderzoeksinstituut SRON werken wij aan het analyseren van atmosferische metingen van verschillende satellieten. Bijvoorbeeld om te achterhalen hoeveel koolstofdioxide (CO2) en methaan (CH4) er in de atmosfeer zit.
Een van de satellieten die we daarvoor gebruiken is de Japanse GOSAT-satelliet, die concentraties CO2 en CH4 in de atmosfeer kan meten. De kunstmaan is al sinds 2009 actief en is op dit moment de enige satelliet die CO2 en CH4 tegelijk kan meten. Dat is een groot voordeel, omdat je door middel van de verhouding CO2 en CH4 beter kunt bepalen waar die gassen vandaan komen. De verhouding kooldioxide en methaan van de rookgassen van een elektriciteitscentrale is bijvoorbeeld anders dan de uitstoot van intensieve veehouderij.
Deze informatie combineren wij met andere gegevens die belangrijk zijn voor het bestuderen van het klimaat, zoals de hoeveelheid bodemvocht, het aantal bosbranden en de hoeveelheid plantengroei. Daardoor kunnen we goed zien dat er een trend gaande is. Extreme gebeurtenissen, zoals droogte of extreme hoeveelheden neerslag, komen regelmatiger voor. Een van die plekken waar dit goed is te zien, is Australië.
Vegetatie in zuidoost Australië in September 2006 (links) en September 2010 (rechts) (Bron: NASA)
Australië, land van extremen
Australië is een land van extremen. Het grootste gedeelte bestaat uit de uitgestrekte, droge graslanden en woestijnen, en meer bewoonbare, groene gebieden aan de kuststroken. In die regio wisselen droogte en overvloedige regenval elkaar af. De afgelopen jaren was Australië vaak in het nieuws door ofwel bosbranden of overstromingen die bewoonde gebieden bedreigden.
In 2011 viel er zoveel neerslag in Australië dat die een meetbaar effect had op de wereldwijde zeespiegel. Die gemiddelde hoogte van de zeespiegel kunnen wetenschappers sinds 1993 bepalen met behulp van satellieten. Sinds die tijd stijgt de zeespiegel met gemiddeld 3 millimeter per jaar. Maar in 2011 was sprake van een daling 7 millimeter. Waar was al dat water gebleven?
Het antwoord kwam uit onverwachte hoek: namelijk Australië. In tegenstelling tot bijvoorbeeld Zuid-Amerika voeren de meeste rivieren hun water niet naar de zee, maar naar het midden van het continent. Dat komt doordat Australië de vorm van een kom heeft.
Al dat water bleef dus op het continent. De regenval zorgde voor grote overstromingen in verschillende gebieden met grote schade tot gevolg. Een bijeffect was echter dat er een ware explosie van plantengroei plaatsvond in de normaal dorre graslanden in het Australische binnenland. Die extreme plantengroei zorgt in het droge seizoen juist weer voor een overdaad aan brandstof voor de bosbranden die ieder jaar plaatsvinden.
De Fitzroy Rivier treedt in 2011 buiten haar oevers na langdurige regenval (Foto: Capt. W. M & Tatters via Flickr)
De kringloop in actie
Nu zijn de hoeveelheid neerslag en het aantal bosbranden relatief makkelijk te meten met satellieten. Zo kunnen wetenschappers gebruik maken van bijvoorbeeld de SMOS-satelliet, die bodemvocht meet. De MODIS-satelliet kan brandhaarden detecteren door middel van de warmte die ze afgeven. Om het effect op de koolstofcyclus van de plantengroei en daaropvolgende branden te bepalen, moeten we de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer nauwkeurig kunnen meten. Daarvoor gebruiken we de GOSAT-satelliet.
Door de variatie in de hoeveelheid CO2 boven Australië te bepalen tussen 2009 en nu, kunnen we voor ieder jaar bepalen of er CO2 is opgenomen door het ecosysteem of juist is uitgestoten. Uit deze metingen bleek dat in de periode 2011 een recordhoeveelheid CO2 door het ecosysteem was opgenomen, bijna drie keer zoveel als normaal in een jaar.
Al die planten namen dus een grote hoeveelheid CO2 op uit de atmosfeer. Wat we ook terugzagen met GOSAT was de CO2-uitstoot door bosbranden in het droge seizoen. Dat gebeurde precies op het moment dat werd voorspeld door de modellen. Een deel van de CO2-opname van een half jaar eerder ging dus weer terug de atmosfeer in door deze heftige branden.
Een vraag die we ons stelden was of de extra begroeiing in de woestijn van Australië een permanent karakter had of dat die slechts van tijdelijke aard was. Toen we dit onderzoek deden, hadden we de gegevens nog niet van de jaren daarop. Nieuwe studies hebben inmiddels laten zien dat de extra opname slechts van tijdelijke aard was. Tijdens de droge jaren erna is de extra CO2 die was opgenomen in 2011, weer terug uitgestoten in de atmosfeer. Dit laat zien dat semi-droge gebieden mogelijk een belangrijke rol in de CO2-toename in een bepaald jaar kunnen spelen, maar dat ze vermoedelijk een beperkte permanente impact hebben op de langere termijn.
Honderden bosbranden in Australië (Bron: NASA)
Snappen we wat we zien?
Wat deze semi-aride gebieden wel essentieel maken voor ons begrip van de koolstofcyclus, is dat de reactietijd van de planten in deze gebieden bij veranderingen van neerslag zeer snel is. Voor het tropisch regenwoud is dat vermoedelijk niet het geval, vanwege de trage responstijd van de vele bomen in het woud.
Dat de reactietijd zo kort is, geeft ons de unieke mogelijkheid om onze biosfeermodellen te testen. Deze modellen voorspellen bijvoorbeeld hoe snel planten en bomen reageren op neerslag, hoe snel ze groeien en hoeveel CO2 ze opnemen en uitstoten. Er zijn vaak grote verschillen tussen de modellen vanwege de verschillende benaderingen (empirisch of meer procesgericht), die lastig zijn te testen onder normale omstandigheden.
Extreme gebeurtenissen zoals in Australië, geven ons de mogelijkheid om de modellen te ijken met behulp van de gegevens van satellieten. Juist de extreme variaties in bijvoorbeeld neerslag, de bijbehorende CO2-opname en hoe snel en sterk een model daarop reageert, geven ons de mogelijkheid om te bepalen welke modellen een betere beschrijving geven van de werkelijkheid. Die modellen zijn uiteindelijk nodig om te snappen waarom we met onze satellieten bepaalde patronen zien. Zonder die modellen zien we wel correlaties en veranderingen, maar weten we niet waarom we die zien.
Dat vereist ook een nauwe samenwerking tussen wetenschappers die de modellen opstellen en wetenschappers die de satellietdata goed begrijpen. En dat is wat mij aantrekt in deze tak van sport. De combinatie van modellen en satellietdata die nodig is om er chocola van te maken. Zelfs als we een oneindige hoeveelheid satellietdata hadden, dan nog hebben we modellen nodig om de processen erachter te begrijpen. En omgekeerd is een model ook niks waard als het niet getest kan worden met de werkelijkheid. Nieuwe data geven mij weer inzicht in de modellen en die geven weer nieuwe voorspellingen wat de satellieten kunnen zien. Door die wisselwerking kunnen we grote stappen zetten de komende jaren.
Fotocredits:
Hoofdfoto: Groene vegetatie in Centraal-Australië in 2011 (Foto: Eva van Gorsel, (CSIRO))
De Fitzroy Rivier treedt in 2011 buiten haar oevers (Foto: Capt. W. M. en Tatters, via Flickr CC BY-NC 2.0)
