Wat zijn kantelpunten?
Kantelpunten of ‘tipping points’. Daarbij moet ik altijd denken aan een liedje van Annie M.G. Schmidt, “De Brug van Breukelen” – waar ik zelf vaak overheen fietste. In dat liedje staat de brug van Breukelen vol mensen. De tekst: Maar toen kwam er ook nog een mug bij – en toen brak de brug. Het is een voorbeeld van een kantelpunt.
De dooi van permafrost wordt gezien als een mogelijk kantelpunt in het klimaat. In deze blog wil ik ingaan op de aanwijzingen die we daarvoor hebben, gebaseerd op mijn eigen onderzoekservaring in het hoge noorden, en de permafrost in het ijstijd-verleden in Nederland.
Kantelpunten zijn omstandigheden waarbij plotselinge en sterke, moeilijk omkeerbare veranderingen optreden in een systeem. Het systeem is in dit geval het klimaatsysteem: het geheel van energie-uitwisseling tussen zon, atmosfeer, landoppervlak, ijskappen en oceanen. Bij zo’n kantelpunt wordt het systeem door een (soms kleine) verstoring uit een stabiel evenwicht geduwd en kan het abrupt naar naar een ander, nieuw evenwicht springen. De klimaatonderzoeker Lenton heeft hier veel over gepubliceerd; aanvankelijk werd verondersteld dat dergelijke kantelpunten pas bij vergaande opwarming van het klimaat zouden optreden, maar nu wordt aangenomen dat dit ook al bij de 1,5 a 2°C opwarming kan plaatsvinden.
In het voorbeeld van de brug: de brug van Breukelen over de Vecht is een oude tweekleppige ophaalbrug. De kleppen leunen midden boven de rivier tegen elkaar, en houden elkaar in evenwicht. Maar als de brug breekt door overbelasting zakken de kleppen naar beneden tot ze niet verder meer kunnen – een nieuw evenwicht. De brug is schoksgewijs van de ene evenwichtstoestand in de andere overgegaan, en repareren is geen simpel klusje.
Het klimaat van het Holoceen is een min of meer stabiel klimaat, met een evenwicht in de warmtehuishouding van onze planeet, kleinere schommelingen daargelaten. Dat het klimaatsysteem kantelpunten kent weten we uit de ijstijden toen het wereldwijde klimaat met grote sprongen heen en weer kon schommelen tussen extreme kou met ijskappen in Noord-Amerika en Europa (glaciaal klimaat) en een warmer klimaat vergelijkbaar met nu (interglaciaal). Met onze broeikasgassen verstoren we de warmtehuishouding van de Aarde en kan het klimaat naar een andere evenwichtstoestand springen: die van ‘hothouse Earth’, een veel warmer klimaat waarin het verkoelende effect van ijskappen ontbreekt.
Systemen waarin kantelpunten kunnen optreden hebben zichzelf versterkende terugkoppelingen. Opwarming van de Aarde treedt het sterkst optreedt in de poolgebieden. Voor het Noordpoolgebied is dat het gevolg van ‘Arctic amplification’. Het belangrijkste onderdeel daarvan is het verdwijnen van sneeuw en ijs, zowel op land als in de oceaan. Sneeuw en ijs kaatsen in voorjaar en zomer zonlicht sterk terug, maar als ijs en sneeuw eerder verdwijnen, wordt meer zonnewarmte opgenomen en warmen water en bodem sterker op. Zo versterkt de opwarming in de poolgebieden zichzelf. Als we erin slagen ons aan het klimaatakkoord van de Parijs te houden en de opwarming tot een wereldwijd gemiddelde van 2°C beperken, betekent dat voor de Noordelijke IJszee al zo’n 8°C opwarming. Het zal duidelijk zijn dat zelfs bij 2°C al drastische veranderingen zullen optreden rond de Noordpool, en bij sterkere opwarming gaat dat nog sneller. Het is ook niet alleen opwarming. Ook de hoeveelheid neerslag neemt toe omdat de verdamping uit een steeds meer ijsvrije Noordelijke IJszee toeneemt.
Minstens één kantelpunt is dan waarschijnlijk al bereikt – het verdwijnen van het zee-ijs in de zomer. Ook het ontdooien van de permafrost is al in gang gezet. Daarnaast beïnvloedt de dooi van de permafrost zelf ook het klimaat op een manier die de opwarming versterkt: door de uitstoot van CO2 en de sterkere broeikasgassen methaan (CH4) en lachgas (N2O). Maar in hoeverre is dit een kantelpunt, of is het een meer geleidelijk proces, is herstel mogelijk? Of gaan de broeikasgassen uit de permafrost het klimaat definitief uit balans duwen?
https://klimaatverandering.files.wordpress.com/2023/08/figuur1.jpg?w=1019
J. van Huissteden & J. Vandenberghe: Permafrost – Nu en in de ijstijd.
Wat gebeurt er als permafrost ontdooit?
Ontdooiende permafrost is niet zo simpel als het lijkt. Het is niet alleen een kwestie van temperatuur. Ook neerslag speelt en rol, en hoe gevoelig de permafrost is voor dooi. Dat wordt bepaald door bodemtype, plantendek, en de hoeveelheid ijs in de permafrost. Hetzelfde geldt voor broeikasgassen die uit de permafrost vrijkomen.
Permafrost komt voor op bijna een kwart van het land op het noordelijk halfrond. Permafrost is permanent bevroren bodem. Alleen de bovenste decimeters tot anderhalve meter ontdooit in de korte zomer; dit is de opdooilaag of ‘active layer’. Daaronder kan de permafrost tientallen tot honderden meters dik zijn. De permafrost kan continu zijn (overal aanwezig), discontinu (plaatselijk onderbroken) of sporadisch/geïsoleerd (alleen lokaal aanwezig). Vaak wordt er bij permafrost aan toendra of poolwoestijn gedacht, maar de meeste permafrost ligt onder boreaal bos (Fig. 1). De belangrijkste klimaatgevoelige bestanddelen van permafrost zijn ijs en organisch materiaal. Organisch materiaal komt voor in de vorm van bodem-humus, veen fossiele resten van planten dieren. IJs is vaak in grote hoeveelheden aanwezig, vooral in bodems die uit los fijnkorrelig los materiaal bestaan, zoals zand, leem en veen. Hoe ouder de permafrost, hoe meer ijs. Het verzamelt zich in de loop van de tijd onder de opdooilaag in de vorm van ijslenzen, ijslagen, en meters diepe verticale wiggen van ijs – ijswiggen. De ijswiggen (Fig. 2) ontstaan door krimpscheuren die in de winter in de bodem van de koudste gebieden ontstaan. De permafrostbodem kan wel tot zo’n 90% van het volume uit ijs bestaan.
https://klimaatverandering.files.wordpress.com/2023/08/figuur2.jpg?w=1024
De warmtebalans van de bodem is beslissend of permafrost-ijs ontdooit. In de zomer gaat er warmte in door zonnestraling, warme lucht, en er gaat warmte verloren door verdamping en uitstraling. In de winter verliest de bodem veel warmte door uitstraling in de lange, koude poolnacht. Plaatselijke verschillen worden bepaald door vegetatie, water, en sneeuwdek. Een sneeuwdek kaatst zonnestraling terug in het voorjaar, maar een dik sneeuwdek isoleert de bodem in de winter. Water op het oppervlak kan veel warmtestraling absorberen en de bodem snel doen opwarmen. Een vegetatiedek beïnvloedt dat de warmte-uitwisseling tussen bodem en atmosfeer sterk. De vegetatie vangt veel zonnewarmte op en wisselt die direct uit met de atmosfeer. Uiteindelijk komt slechts een zeer klein deel van de zomerwarmte in de bodem terecht, zo’n 5 tot 25% van de inkomende zonnestraling.
Bodemeigenschappen bepalen vervolgens hoeveel warmte dieper de bodem in wordt geleid. Een natte bodem geleidt de warmte beter dan een droge. Om permafrost-ijs te ontdooien moet aan de bodem veel warmte toegevoerd worden, vanwege de smeltwarmte (latente warmte) die nodig is om het ijs te ontdooien; veel meer warmte dan voor het verhogen van de temperatuur van de bodem.
De permafrost is aan het opwarmen. Niet alleen aan de oppervlakte, ook in diepere boorgaten is een temperatuur-toename te zien. Op veel plaatsen neemt ook de dikte van de opdooilaag geleidelijk toe. De dikte van de opdooilaag is bij een stabiel klimaat in evenwicht met het klimaat en vegetatie. Het ene jaar kan de bodem wat dieper ontdooien dan het andere, maar over langere tijd blijft de dikte gelijk. Bij opwarming van het klimaat wordt de opdooilaag steeds dikker, totdat de opdooilaag in de winter nooit meer helemaal bevriest. In dat geval is de permafrost wat klimaat-invloed betreft nauwelijks meer van invloed. De bodem kan op grotere diepte nog wel bevroren zijn, maar ook dat zal geleidelijk ontdooien.
https://klimaatverandering.files.wordpress.com/2023/08/figuur3.jpg?w=1024
Extreem warme of natte zomers veroorzaken dieper ontdooien over grotere gebieden. Vernieling van vegetatie, bijvoorbeeld door bosbrand of terreinvoertuigen, leidt ook lokaal tot diepere dooi. Wat er bij diepere dooi vervolgens gebeurt, hangt vooral af van de hoeveelheid ijs in de bodem en het landschap.
In vlakkere gebieden ontstaan poelen en meertjes als door het ontdooien van ijs de bodem inzakt (Fig. 3). Een nattere bodem met een waterlaag kan makkelijker warmte geleiden en daardoor dieper ontdooien. Als er een meer ontstaat dat dieper is dan de dikte van het ijs in de winter (ca 2 meter) blijft ook in de winter de meerbodem boven het vriespunt, en kan het meer steeds verder groeien door ontdooien van de permafrost onder het meer, en oevererosie: een dooimeer (Fig. 4). Hoe warmer het water, hoe sneller. Bij wat meer reliëf in het landschap kan de met water verzadigde bodem gaan afglijden over het ijs eronder (Fig. 4), waardoor steeds meer grondijs aan dooi wordt blootgesteld. Op Banks Island in Canada is een 60-voudige toename van het aantal aardverschuivingen in 30 jaar gevonden. Terrein met ijswiggen is extra kwetsbaar, omdat de wiggen als afvoergeulen voor smeltwater kunnen gaan dienen, vooral in het voorjaar na een winter met veel sneeuw. Zo ontstaan zich snel uitbreidende stelsels van erosiegeulen. Deze processen worden steeds vaker waargenomen in permafrostgebieden. De door erosie kalere bodem vangt vervolgens ook meer zonnewarmte in.
https://klimaatverandering.files.wordpress.com/2023/08/figuur4.jpg?w=1024
Broeikasgassen.
De uitstoot van broeikasgassen uit ontdooiende permafrost wordt vooral veroorzaakt door de enorme hoeveelheid organische stof in de bodem. Al dat organisch materiaal wordt door de lage temperaturen goed bewaard, als in een vriezer, en heeft zich in de loop van duizenden jaren opgehoopt. De hoeveelheid koolstof in permafrost is bijna even groot als alle koolstof in CO2 en CH4 (methaan) in de atmosfeer. Dat wil overigens nog niet zeggen dat het allemaal in de atmosfeer terecht komt; na erosie wordt een groot deel weer begraven in rivier-, meer- en zee-afzettingen.
Zodra de bodem ontdooit, kan dit fossiele materiaal verteerd worden door micro-organismen en omgezet in broeikasgas. Het hangt ervan af onder wat voor omstandigheden dat gebeurt. Is dat in een moeras, poel of meerbodem, dan wordt het vooral CH4. Onder drogere omstandigheden komt CO2 vrij. In drogere bodems kan CH4 overigens ook weer opgenomen worden en als energiebron gebruikt worden door bacteriën (echter in geringere hoeveelheden). Wanneer snelle omzetting van grote hoeveelheden organisch materiaal plaatsvindt, vooral na erosie, kan ook lachgas (N2O) ontstaan. De snelheid van bacteriële omzettingsprocessen van organische stof in de bodem naar CO2 en CH4 neemt exponentieel toe met de bodemtemperatuur; hoe warmer de bodem, hoe meer broeikasgas. Het klimaateffect van deze broeikasgassen verschilt onderling sterk; op een termijn van 20 jaar is dat voor CH4 ±81 x groter dan dat van CO2 en voor N2O ±273 x zo groot.
CO2 uit afbraakprocessen in een niet verstoord ecosysteem is meestal ongeveer in evenwicht met opname van CO2 door fotosynthese van planten (Fig. 5). Dit draagt niet noemenswaardig bij aan toename van CO2 in de atmosfeer. Er kan zelfs meer CO2 worden opgenomen dan er vrij komt, dat dan wordt opgeslagen in hout, of humus en veen in de bodem. Afbraak van fossiel materiaal voegt wel nieuw koolstof toe aan de atmosfeer als CO2 en CH4, en vergroot de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer. Ook CH4 dat uit vers organisch materiaal gevormd is draagt bij aan extra opwarming, als de uitstoot daarvan toeneemt.
https://klimaatverandering.files.wordpress.com/2023/08/figuur5.jpg?w=1024
Een andere bron van fossiel methaan is het steeds meer discontinu worden van de permafrost. Permafrost vormt een afsluitend deksel voor methaanlekkage uit de diepere ondergrond (met name boven gasvelden); bij ontdooien kan de emissie daarvan toenemen. Ook is hoge methaanemissie uit onderzeese permafrost waargenomen.
Kortom, hoe warmer de permafrost-bodem, hoe meer CO2, methaan en lachgas. Methaan is het gas waar de meeste publieke aandacht voor is, maar CO2 is wat hoeveelheid betreft het belangrijkste broeikasgas uit de permafrost. De verhouding tussen CO2 en CH4 is moeilijk in te schatten: die hangt sterk af van het landschap. Veel erosie levert meer CO2 en lachgas op, weinig erosie maar meer poelen en meren, levert meer methaan.
Aan de andere kant laat de opwarming van het klimaat ook de vegetatie toenemen in de toendra- en poolwoestijn-gebieden op de permafrost. Dat leidt tot meer opname van CO2. In de toendra nemen vooral struiken toe (de boomgrens in vlak laagland kan de snelle opwarming niet goed bijhouden). Dit staat bekend als ‘Arctic Greening’ en is ook opgenomen in klimaatmodellen. De laatste jaren blijkt uit satellietbeelden ook ‘Arctic Browning’ op te treden, een verlies van groene vegetatie door de toename van klimaat-extremen in het Arctische gebied: droogte, warmte, bos- en toendrabranden, en insectenplagen die ook vaak samenhangen met klimaatverandering. De effecten van abrupte dooi met poelen en erosie dragen ook bij.
Uit metingen in de Siberische toendra bleek ook, dat in jaren met een langer groeiseizoen wel meer CO2 werd opgenomen door de vegetatie, maar tegelijkertijd kwam er ook meer CO2 uit de bodem. Dat compenseerde de extra opname van CO2. Recent is ook gebleken dat in de winter CO2– en methaan-emissies uit de bodem doorgaan zolang de bodem niet compleet bevroren is. Ook dat neem toe, omdat door opwarming van het klimaat het bevriezen van de bodem steeds langer duurt. Afbraak van organische stof gaat daardoor langer door. De in de bodem opgeslagen gassen worden er vervolgens door het bevriezingsproces uitgedreven. Deze winterse uitstoot overtreft de in de zomer door planten opgenomen CO2.
Uit waarnemingen blijkt dus dat de opname van CO2 door meer vegetatie niet in staat is de uitstoot van broeikasgassen te compenseren, en waarschijnlijk wordt dat in de toekomst ook niet beter. Helaas zijn er weinig lange meetreeksen van CO2– en methaanuitstoot boven de permafrost. De logistieke problemen om dat met gevoelige apparatuur te meten zijn groot, en geschikte apparatuur is er ook pas zo’n 15 jaar. Temperaturen zijn in de winter extreem, terwijl de emissies ook in de winter niet te verwaarlozen zijn. Onlangs is een 16 jaar lange tijdreeks van metingen uit de Siberische toendra gepubliceerd, die een duidelijke toename van zomertemperatuur laten zien die gepaard gaat met een toename van zomerse methaan-emissie van 1.9 ± 0.7% per jaar bij een Juni-temperatuur toename van 0.3 ± 0.1 °C per jaar.
Sinds 2007 is er een zeer snelle toename van methaan in de atmosfeer te zien. Kan ontdooiende permafrost hieraan bijdragen? Het onderscheid tussen de verschillende bronnen van methaan en CO2 is lastig, en permafrost is lang niet de enige bron. Er zijn meer grote natuurlijke methaanbronnen, zoals moerassen in de tropen, zoetwatermeren, en je moet permafrost-methaan ook kunnen onderscheiden van de grote menselijke bronnen zoals fossiele brandstoffen en landbouw. De natuurlijk voorkomende isotopen van de koolstof, zuurstof en waterstof, kunnen helpen bij het schatten van de grootte van bronnen, maar zijn vaak niet beslissend.
Uit meerdere onderzoeken blijkt niet dat er tot nu toe een grote bijdrage van de permafrost is. In een publicatie uit 2015 wordt met behulp van modellen geschat dat door opwarming van de permafrost 10% van de koolstof daaruit in de atmosfeer verdwijnt tot het einde van deze eeuw, het meest als CO2. Dat is vergelijkbaar met 10% van de emissie uit fossiele brandstoffen en is goed voor 0.2°C extra opwarming. De verdeling van concentratie van methaan in de atmosfeer over de hele Aarde geeft ook aan dat de belangrijkste natuurlijke bronnen van biogeen methaan in de tropen liggen. Metingen van methaanconcentratie in de Arctische atmosfeer laten ook nog geen toename zien op grote schaal. De snelle toename van methaan in de atmosfeer wordt voor het grootste deel toegeschreven aan methaan uit tropische wetlands.
Een mogelijke verklaring is dat zomerdroogte die regionaal optreedt in het Arctische gebied de methaanvorming onderdrukt. De bacteriële oxidatie van methaan in de bodem neemt ook toe in het Arctische gebied en kan een deel van het ontbrekende methaan verklaren. Aan de andere kant zorgt een Arctische Oceaan met minder ijsbedekking ook voor meer sneeuwval en regen, wat juist in het begin van de zomer voor natte omstandigheden kan zorgen. Vooral riviervlakten die bij veel sneeuwval in het voorjaar overstromen zijn sterke bronnen van methaan. Wereldwijde inventarisaties met behulp van meetgegevens en atmosferische inversie-modellen laten een lichte toename zien van methaanuitstoot uit het Arctische gebied.
Hierbij moet wel benadrukt worden dat veel publicaties niet veel verder gaan in hun analyses dan tot 2020. Effecten van recente extreme gebeurtenissen (recente extreme bosbranden in Siberië en Canada, extreem warm, droog weer van de afgelopen paar jaar en van dit jaar) zullen we in die analyses nog niet zien.
Zijn we het permafrost tipping point al gepasseerd?
Deze vraag blijkt dus lastig te beantwoorden door gebrek aan gegevens. Een artikel uit 2020 stelde dat de permafrost al een tijd geleden een kantelpunt gepasseerd is en onomkeerbaar aan het dooien is (Randers & Goluke 2020). Die conclusie werd getrokken uit experimenten met een vereenvoudigd aardsysteem- en klimaatmodel. Zelfs als we onmiddellijk zouden stoppen met CO2 uitstoten, zou de dooi – na een aanvankelijke vertraging – eeuwenlang doorgaan. In dit model werd de dooi van permafrost versterkt door de uitstoot van broeikasgassen uit de permafrost, en door toename van waterdamp (ook een broeikasgas) in de atmosfeer, en verder worden versterkt door meer opwarming door verdwijnen van sneeuw en ijs. Het model berustte op simpele aannames: de stijging van de luchttemperatuur is een maat voor dooi van permafrost, evenals de emissie van broeikasgassen. Zoals hierboven besproken, zit het wel wat ingewikkelder in elkaar. In de eerste plaats blijkt er niet één kantelpunt te zijn in het permafrost-klimaatsysteem (Fig. 6).
https://klimaatverandering.files.wordpress.com/2023/08/figuur6.jpg?w=635
Het ontdooien van permafrost zelf is geen kantelpunt. Zodra het klimaat afkoelt kan de bodem weer bevriezen. Dat is ook wel gebleken uit snelle terugkeer van permafrost bij de laatste koude fase aan het eind van de laatste ijstijd (Jonge Dryas Stadiaal) in Nederland, toen de permafrost van het koudste deel van de laatste ijstijd al een paar duizend jaar verdwenen was.
Het eerste kantelpunt heeft betrekking op landschap en ecosystemen van ijsrijke permafrost: aardverschuivingen, erosie, ontstaan van poelen en meren door snelle, abrupte dooi. Uit verschillende publicaties (hierboven aangehaald) blijkt dat dit al plaatsvindt, en verlies van organische stof uit de bodem veroorzaakt. Het duurt tientallen tot honderden jaren voordat sporen van erosie weer uitgewist zijn in de vegetatie, en nog langer voordat de hoeveelheid organische stof in de bodem weer op het oude niveau is. De beruchte Batagay megaslump laat zien dat wanneer dat het erosieproces eenmaal in gang gezet is, het tientallen jaren door kan gaan. Ook het verdwijnen van de ijstijd-permafrost uit het koudste deel van de ijstijd in Nederland veroorzaakte op zeer grote schaal verstoring van de bodem (Fig. 7).
https://klimaatverandering.files.wordpress.com/2023/08/figuur7.jpg?w=227
Het tweede kantelpunt is de uitstoot van broeikasgassen uit de ontdooiende permafrost. Het is de vraag of dit een kantelpunt is – neemt dit geleidelijk toe naarmate de permafrost warmer wordt, of gaan er abrupte veranderingen optreden waarbij de emissie in korte tijd sterk toeneemt en op een hoger niveau blijft? Gezien de enorme hoeveelheden fossiel organisch materiaal die zijn opgeslagen in de permafrostbodems en de abrupte dooiverschijnselen die we nu zien toenemen, zou dit zeker een kantelpunt kunnen zijn. Alleen wijzen de schattingen van wereldwijde uitstoot uit permafrost nog niet op een sterke toename tot nu toe. Waarschijnlijk is hier nog geen kantelpunt bereikt.
Dat de uitstoot uit permafrost gering is ten opzichte van andere broeikasgasbronnen is overigens niet geruststellend. Hierboven wordt een schatting genoemd die aangeeft dat de broeikasgassen uit permafrost in deze eeuw wereldwijd bijdragen aan ± 0.2°C extra opwarming. Via de ‘Arctic amplification’ is dat echter meer opwarming boven de permafrost. Zoals het model van Randers & Goluke laat zien, moeten we ook rekening houden met meer waterdamp door een vochtiger arctische atmosfeer. Dezelfde schatting zegt dat permafrost-broeikasgassen slechts 10% van onze emissie uit fossiele brandstoffen vertegenwoordigen. Dat lijkt weinig, maar betekent veel meer economische en maatschappelijke inspanning om de opwarming van de Aarde tot 2°C te beperken. Zelf denk ik dat deze schatting te laag is, omdat ze gebaseerd is op modellen waarin de effecten van abrupte dooi niet goed verwerkt zijn.
Het is bovendien ook onzeker of ‘Arctic greening’ leidt tot meer CO2 opname in vegetatie om de emissie uit permafrost te compenseren. De recente extreme bos- en toendrabranden zijn zeer verontrustend. De uitstoot van roet van de branden, en afzetting daarvan op het sneeuwdek leidt ook tot snellere sneeuwsmelt door meer absorptie zonnestraling. De vernietiging van beschermende vegetatie leidt ook tot extra permafrost-dooi.
Tenslotte moeten we ook rekening houden met andere kantelpunten in het klimaat, die de Arctische opwarming kunnen versterken: het domino-effect van kantelpunten die elkaar beïnvloeden. Verdwijnen van Arctisch zee-ijs leidt tot meer waterdamp in de Arctische atmosfeer en meer opwarming. De extra neerslag die daarvan het gevolg is heeft ook een opwarmend effect op de permafrost, zoals we hierboven gezien hebben. Andere kantelpunten in het klimaat, met name kantelpunten die de stromingen en broeikasgas-uitwisseling in de oceanen beïnvloeden, hebben waarschijnlijk grotere gevolgen voor het klimaat dan permafrost-dooi. Permafrost-dooi is slechts een van de grote risico’s die we lopen door te gokken met het klimaat van onze planeet.
https://klimaatveranda.nl/2023/08/22/permafrost-een-kantelpunt/