De zon was er eerder…

Iedereen spreekt over CO2 als een broeikasgas dat de Aarde te veel zou doen opwarmen. Er wordt ook veel gesproken over en soms behoorlijk getwijfeld aan de juistheid van modellen.

Er kwam in december 2017 een artikel vrij in Nature dat onderzocht heeft in hoeverre een antropogene bijdrage aan de atmosfeer (broeikasgassen, sulfaten en roet) verantwoordelijk zijn voor de globale opwarming. In plaats van de geijkte globale klimaatmodellen te gebruiken, maakten de onderzoekers simulaties met neurale netwerken (NN). Deze zijn gebaseerd op het idee dat we hebben van biologische neurale netwerken in de zin dat de input door het netwerk stroomt, daarbij het netwerk een verandering doet ondergaan en vervolgens met output komt. Het netwerk is gebaseerd op een geheel aan verbonden eenheden of knooppunten die artificiële neuronen genoemd worden die de neuronen in het biologische brein nabootsen. Net als de synapsen in een biologisch brein, kan elke connectie een signaal doorgeven van de ene kunstmatige neuron naar de andere. Een kunstmatig neuron dat een signaal ontvangt kan het verwerken en vervolgens het signaal doorgeven aan andere artificiële neuronen waaraan hij gekoppeld is.

De globale klimaatmodellen stammen van een moedermodel af en lijken daardoor erg veel op elkaar; hun resultaten ten opzichte van elkaar kunnen daarom niet robuust genoemd worden.

Met behulp van de NN hebben de onderzoekers laten zien dat radiative forcing van de broeikasgassen grofweg dezelfde resultaten opleveren als de klimaatmodellen hetgeen de antropogene opwarming bevestigt, tenminste voor wat betreft de periode van 1975 tot nu. Het moet wel opgemerkt worden dat broeikasgassen als waterdamp niet expliciet genoemd worden. Dit laatste broeikasgas is altijd in meer of mindere hoeveelheid aanwezig en als gevolg van opwarming kan waterdamp toenemen.

Ze voerden runs uit met behoud van de antropogene input op de waarde van het jaar 1850 plus de werkelijke gegevens van radiative forcing van de zon en de vulkanen. Slechts rond 1884 en 1992 waren er lichte pieken van vulkanische activiteit. De temperatuurtoename tussen 1910 en 1975 is volgens de auteurs voor een groot deel toe te wijzen aan de elfjarige zonnecyclus. Dit resultaat wordt in het abstract genoemd, maar wordt verder niet uitgewerkt.

Figuur 1. Reconstructie van de globale Temperatuur door NN modellen. Zwarte lijn =geobserveerde T, rode lijnen =resultaten van ensemble runs, blauwe lijnen = ensemble gemiddelde. (a) Met reële waarden van Antropogene Radiatieve Forcing (RFANTH), Radiatieve Forcing van de zon (RFSOLAR) en Radiatieve Forcing van vulkanen (RFVOL) als inputs. (b) Attributie runs wanneer RFANTH vaststaat op de waarde uit 1850. Creative Commons License 4.0. Fig. 1 from Pasini et al. 2017

 

Het is een veelgestelde vraag: neemt CO2 toe als gevolg van temperatuurstijging of is het nu juist andersom? Je zou uit deze gegevens kunnen concluderen dat er een lichte temperatuurstijging geweest is door de zon (1910-1975) en dat als gevolg daarvan CO2 en andere broeikasgassen zijn vrijgekomen uit de oceanen en de steppes. Deze broeikasgassen zorgen vervolgens voor een verdere toename van de temperatuur. De auteurs spreken eigenlijk uitsluitend over broeikasgassen; welke ze daarmee bedoelen is niet duidelijk.

Het lijkt er dus op dat de temperatuurstijging die we zien van 1850 tot op het heden zowel aan de zon als aan broeikasgassen is te wijten, waarbij de zon vooral een rol speelde tussen 1910 en 1975 en de broeikasgassen voornamelijk van 1975 tot heden.

 

Pasini A., Racca P, Amendola S, Cartocci G, Cassardo C Attribution of recent temperature behaviour reassessed by a neural-network method. Nature Scientific Reports 7; article number 17681 (2017) https://doi.org/10.1038/s41598-017-18011-8

 

Positieve geluiden

Het ligt er maar aan wie je volgt, maar als ik zo de artikelen bekijk die via Twitter binnenkomen is het veelal slecht nieuws: de bijensterfte, uitsterving van diersoorten ofwel de zesde massa-extinctie, wel of geen verbod op de walvisvangst, gesteggel tussen atheisten en gelovigen en in de politiek, de crisis, de olieramp in de golf van Mexico (om niet te spreken van de situatie in Nigeria), en nu vanmorgen de uitsterving van de mens:

Frank Fenner verwacht dat de mens binnen 100 jaar zal uitsterven. Hij zegt: “De homo sapiens zullen uitsterven, misschien zelfs binnen honderd jaar. Niet alleen de laatste mens verdwijnt van de aardbodem. Veel andere dieren ook,” vertelt Fenner. “Het is een onomkeerbare situatie. Ik denk dat het te laat is.”

Voor de biodiversiteit is er echter goed nieuws. Al eerder schreef ik over de koralen en

Van internet: Hippocampus bargibanti

de biodiversiteit in het algemeen. Koralen zijn erg gevoelig voor lagere en hogere temperaturen die verbleking van het koraal kunnen veroorzaken: de symbiotische algen verlaten het koraal dat daardoor afsterft. Het blijkt nu dat, tenminste in bepaalde gebieden van de Caraïbische zee, de koralen die zich aan de rand van een rif bevinden zich heel goed kunnen aanpassen aan klimaatveranderingen. Pandolfi, een van de auteurs van het artikel in Science, toont aan dat waar er een sterke beweging in de omstandigheden van het milieu is er vreemde evolutionaire veranderingen te zien zijn. De koralen evolueren als het ware naar andere ‘morfo-soorten’ (De koralen zijn alleen morfologisch bestudeerd, niet genetisch). Dit gegeven zou de natuurbescherming beter moeten bekijken. Er wordt namelijk teveel gelet op de hoeveelheid soorten, of op een groot aantal unieke soorten binnen een gebied. Er moet ook meer gekeken worden naar de randen van een gebied, de ‘eco-margins’, daar kunnen soorten evolueren die beter bestand zijn tegen extreme omstandigheden. Dit gegeven zou dus beter bestudeerd moeten worden in alle ecosystemen die men wil beschermen. Sommige wetenschappers geloven er niet veel van, omdat de klimaatveranderingen te snel zouden gaan om evolutie een rol te laten spelen.

Van internet: Hippocampus bargibanti

De plaatjes zijn van het koraal Muricella met in beide gevallen eenzelfde soort zeepaardje (Hippocampus Bargibanti).

Uit Scientias en NewScientist

Biodiversiteit in de oceaan (deel 1)

Een serie van drie blogs over de biodiversiteit in de oceanen. Deel 2 en 3 vertellen over een expeditie van Naturalis naar de koraalriffen bij Jakarta. De oceanen bedekken voor 70% de oppervlakte van de Aarde. Het is ook voor het leven op land van belang dat de oceanen gezond blijven. Dit eerste deel geeft een overzicht van de problemen ten aanzien van de onderzeese biodiversiteit met prachtige films.

Sylvia Earle, TED prize winner in 2009
In haar lezing vertelt ze over de toestand waarin onze oceanen vekeren. Jacques Perrin, Jacques Cousteau en Rachel Carson konden zich 50 jaar geleden niet voorstellen dat de zee van Eden ons zo snel naar het verloren Paradijs zou brengen. Van de grote vissen is 90% opgegeten, 50% van de koraalriffen is verloren gegaan, en er is een mysterieuze vermindering van zuurstof  in sommige delen van de Stille Oceaan.

Onze kinderen zullen zich afvragen waarom we niets deden toen er nog tijd voor was. Het moet toch mogelijk zijn intelligentie bij de mens te vinden. De meeste zuurstof wordt door de oceaan geproduceerd en het grotste deel van kooldioxide wordt er door micro-organismen geabsorbeerd. Van al het leven op Aarde leeft 97% in de zee. Nu we weten dat we een probleem hebben kunnen we er iets aan doen, maar er is niet veel tijd meer. We hebben te maken met globale opwarming en de verzuring van het zeewater als gevolg van de toename van kooldioxide. Dat is slecht nieuws voor de koraalriffen.

Gelukkig verkeert de helft van de koraalriffen nog in goede staat, 10% van de vissen leeft nog, maar toch kan in 50 jaar dit alles verloren zijn. Inmiddels zijn er meer dan 4000 regio’s van de oceanen beschermd gebied verklaard, maar het is slechts 0,8% van het totale zeeoppervlak. De komende 10 jaar kunnen weleens de belangrijkste voor de komende 1000 jaar zijn. Sylvia roept iedereen op, om ook via het web, hun stem uit te dragen en de mensen gevoelig te maken voor het probleem. Wij bloggers kunnen haar helpen. Hier volgt haar lezing.

http://video.ted.com/assets/player/swf/EmbedPlayer.swf

Naar TED

Coral Reefs and climate change, a message for Copenhagen
In dit filmpje dat getoond is in Kopenhagen vertelt een meisje uit de toekomst over de verloren koraalriffen. Vreemd dat aangezien wat er op het spel staat de Kopenhagentop zo een mislukking was.

Er bestaat ook een langere versie op Vimeo

 
Met dank aan Charles Fransen van Naturalis.

Lees ook mijn blog over overbevissing

Links uit de reacties:  
David Gallo ‘onderwaterverbazing’ op TED
Océans, film van Jacques Perrin die net is uitgekomen, een prachtige site om op rond te kijken.
Evodisku (Tsjok45): Koraal, koolzuur, biodiversiteit

Stikstof en het klimaat

De opname van kooldioxide door de biosfeer wordt gelimiteerd door de stikstofkringloop. De assimilatie van stikstof door planten hangt af van de beschikbare hoeveelheid van dit element in de bodem. Is deze hoeveelheid beperkt, dan kunnen planten niet genoeg groeien en kunnen ze dus ook niet genoeg kooldioxide (CO₂) omzetten in carbohydraten. Met dit gegeven is in de klimaatmodellen geen rekening gehouden, waardoor de schattingen ten aanzien van de opwarming van de Aarde te laag uitkomen, zo wordt beweerd door een artikel in Geophysical Research Letters.

Van internet: Stikstofwortelknobbel met Rhizobium

Stikstof (N), ofwel N₂ (want het komt in de atmosfeer bijna uitsluitend in deze gasvorm voor), vormt bijna  80% van de atmosfeer. Het maakt deel uit van vele organsiche moleculen, zoals DNA, RNA, aminozuren en de daaruit opgebouwde eiwitten. Dit organisch gebonden stikstof komt voort uit de stikstofkringloop, die begint met de fixatie van stikstof uit de atmosfeer door stikstofbindende bodembacteriën. Sommige van deze bacteriën, zoals Rhizobium, zijn symbionten van de wortels van vlinderbloemigen (peulvruchten). Ze zetten het stikstof om in ammoniak en vervolgens in stikstofhoudende organische stoffen, die direct door de plant opgenomen kunnen worden. De plant voorziet op haar buurt de bacteriën weer van carbohydraten die voortkomen uit de fotosynthese van de plant. Andere bodembacteriën zetten het stikstof uit de atmosfeer om in ammonium, weer andere daarna in nitraat en uiteindelijk in nitriet. Alleen deze laatste stof kan door de plantenwortels opgenomen worden.

De symbionten kunnen dus stikstof uit de atmosfeer gebruiken en worden in hun groei niet beperkt door de hoeveelheid stikstof in de bodem. Helaas gaat het om een relatief kleine groep planten, de peulvruchten. De meeste planten zijn afhankelijk van een keten van bodembacteriën die stikstof stapje voor stapje omzetten in nitriet. Het is moeilijk voor te stellen dat met zo een overdaad aan N₂ in de atmosfeer, er een limiet zou zijn voor de groei van planten. Toch bestaat er volgens dit artikel in veel gebieden op Aarde een gebrek aan stikstof in de bodem. Vele klimaatmodellen die deze variabele niet opgenomen hebben in hun berekeningen, geven dus een te lage schatting van de toekomstige globale opwarming.

De bijdrage van de mens aan het broeikasgas kooldioxide (CO₂) bedraagt 6% van de

Van internet:  Venus heeft een atmosfeer die voornamelijk uit kooldioxide bestaat. Dit broeikasgas zorgt ervoor dat de temperatuur er rond de 480°C ligt, waardoor elke vorm van leven uitgesloten lijkt.

totale uitstoot. Er wordt wel verondersteld dat het broeikaseffect dat veroorzaakt wordt door een teveel aan kooldioxide in de atmosfeer, de planten sneller zou kunnen laten groeien, waardoor er weer meer CO₂ opgenomen zou worden. Dit zou het broeikaseffect kunnen compenseren. Maar als er inderdaad een limiet is aan de hoeveelheid stikstof in de bodem, dan zou dit wel eens onmogelijk kunnen blijken. Zo zijn er nog andere physiologische haken en ogen: het enzym rubisco, bijvoorbeeld, dat verantwoordelijk is voor de fixatie van CO₂ in de plant gedurende de fotosynthese, werkt bij hogere temperaturen langzamer: CO₂ wordt dan minder effectief gefixeerd en de plant groeit langzamer. Het is duidelijk dat klimaatmodellen met bijzonder veel kleine en grote factoren rekening moeten houden wanneer het om zo een complex ecosysteem gaat.

Bron: Geophysical Research Letters,
ScienceDailiy 1 en 2, Wikipedia

Gaia versus Medea

Nadat in 1979 het boek Gaia-hypothese van James Lovelock verscheen, waarin de Aarde als een homeostatisch organisme werd voorgesteld, waar het leven zelf nieuwe evenwichten creëert en in stand houdt, is nu een boek verschenen van Peter Ward getiteld ‘the Medea hypothesis’, waarin met voorbeelden uit de geschiedenis van de Aarde wordt aangetoond dat onze planeet wel degelijk kan terugkeren naar een chemisch evenwicht waarbij alle leven zou kunnen verdwijnen. Het chemisch evenwicht is synoniem voor dode planeten. Dit laatste wist ook de scheikundige Lovelock die bij de NASA werkte en altijd beweerde dat het geen zin had om leven op Mars te zoeken, omdat dat een dode planeet is, met een chemisch evenwicht dus. De Gaia-hypothese was net zo optimistisch als dat de Medea-hypothese pessimistisch is.

Gaia

Het meest simpele voorbeeld uit de Gaia-hypothese is dat van een planeet met zwarte en witte madeliefjes. De witte madeliefjes bloeien bij hoge temperaturen en de zwarte bij lage temperaturen. Overheersen de witte madeliefjes dan koelt de planeet af, omdat ze veel licht terugkaatsen, en nemen de zwarte madeliefjes het over. Ze weerkaatsen weinig licht, absorberen dit en de temperatuur gaat weer omhoog. Dan komen er weer steeds meer witte madeliefjes die het zonlicht weerkaatsen en de planeet koelt weer af, tot in het oneindige. James Lovelock geeft dit als voorbeeld van homeostase op planetair niveau en beweert dat dit ook voor de Aarde geldt waar de systemen uiteraard veel complexer zijn. De cyclus van zuurstof en kooldioxide bijvoorbeeld zorgt ervoor dat deze nooit in chemisch evenwicht komen. De basis van deze cyclus wordt gevormd door de voortdurende toestroom van CO₂ die door de vegetatie opgenomen wordt en dan O₂ loslaat en die van de dieren die O₂ ademen en CO₂ uitstoten. James Lovelock beweert: "De Gaia theorie stelt dat de temperatuur, de oxidatiegraad, de zuurtegraad en bepaalde aspecten van gesteente en water constant gehouden worden, en dat deze homeostase door een actieve feedback automatisch en onbewust behouden blijft door de biota”. De Aarde zelf is een organisme.

De Medea-hypothese daarentegen wijst op era uit het verleden van de Aarde waarin alle

Medea

leven uitstierf.
Rond 3,7 miljard jaar geleden stootten methaanproducerende micro-organismen zoveel methaan uit dat dit extreme broeikasgas de temperatuur enorm deed rijzen, waarbij veel levensvormen uitstierven.
Zo’n 2,8 miljard jaar geleden evolueerde de fotosynthese van micro-organismen zo sterk dat er enorme hoeveelheden O₂ geproduceerd werden dat giftig was voor de meeste micro-organismen van toen. Diezelfde fotosynthese absorbeerde dusdanig veel CO₂ dat de Aarde enorm afkoelde en de oceanen compleet bevroren raakten. Deze ijstijd duurde 100 miljoen jaar.
Een derde episode rond 400 miljoen jaar geleden. De Aarde produceert veel CO₂ door vulkanen. Dit CO₂ wordt door het gesteente opgeslagen en daarbij geholpen door de plantenwortels die het gesteente blootstellen aan de atmosfeer. De planten zelf slaan ook veel CO₂ op. Dit opslagsysteem was zo een succes dat er zich wederom een ijstijd van 50 miljoen jaar voordeed waarbij opnieuw veel leven uitstierf.
De massa-extincties van 65 miljoen jaar geleden worden vaak toegeschreven aan inslagen van meteorieten, maar er bestaat ook de theorie dat micro-organismen in warme oceanen enorm groeiden en veel hydrosulfaat produceerden waardoor de lucht vergiftigd werd. Volgens de Gaia-theorie had het leven al deze evenementen moeten compenseren, maar dat is dus niet zo gegaan.  

(Bekijk ook de era van het verleden en de toekomst van de Aarde volgens de Medea-theorie).

Op basis van de Medea-theorie wordt voorzien dat met het heter worden van de zon (die sinds 4,7 miljard jaar 30% harder is gaan schijnen), er een globale opwarming van de Aarde komt, wat de erosie van het gesteente versnelt en wat de opslag van CO₂ weer zal bevorderen. Ook de toename van vegetatie zal hier aan meewerken. In eerste instantie compenseert deze CO₂-opslag de toenemende temperatuur, maar er komt een moment waarop er niet genoeg CO₂ meer is voor fotosynthese. Planten zullen sterven en zo ook de dieren. De CO₂ gaat opnieuw omhoog en de Aarde wordt zo heet dat de oceanen gaan koken. De planeet wordt steriel.

Het zijn twee tegenovergestelde hypothesen en hopelijk heeft de oudere Gaia-hypothese nog steeds een grond van waarheid, want ook al wordt het einde van de levende Aarde volgens Peter Ward geschat op zo’n miljard jaar, de Gaia-planeet is gewoon veel mooier.

Grotendeels uit: New Scientist

Nieuwe vormen van duurzame energie

Globale klimaatverbetering in de VS

Dinsdag 16 juni is er door het Witte Huis een document aan de pers gepresenteerd over de impact van globale klimaatverandering in de Verenigde Staten. (Zie video http://www.youtube.com/watch?v=y88sgDM9HmA ) Hier wordt duidelijk in gesteld dat er geen discussie meer kan zijn over of er nu wel of geen klimaatverandering aan de gang is: we hebben nù al te maken met de gevolgen van CO₂ steiging, zoals korte maar frequente en hevige regenval, erosie, bosbranden en een stijging van de zeespiegel. Er wordt dan ook gepleit voor een beleid dat gebaseerd is op het opwekken van groene energie. Het is een hele opluchting te horen dat nu ook de VS klimaatverandering serieus neemt.

Windenergie op Amerikaanse bodem kan energie voor de hele wereld opwekken

Vandaag verscheen er interessant nieuws in een artikel over windenergie in het wetenschappelijk tijdschrift PNAS. Daarin wordt uitgerekend dat alleen de VS met windenergie, waarbij molens met een capaciteit van 2,5 Megawatt die niet bij bossen, gletsjers en steden gebouwd worden, met slechts 20% van hun maximum capaciteit, 40 keer in de wereldwijde vraag naar electriciteit kunnen voorzien en 5 keer het globale gebruik van alle vormen van energie kunnen dekken. Goed nieuws, al is het de vraag of er ooit zo’n (altruïstische) investering zal komen.

Osmose

Ondertussen wordt er ook hard gewerkt aan energie die opgewekt kan worden met gebruik van semipermeabile membranen. Deze membranen zijn ontworpen naar de biologische celmembranen die selectief kleine moleculen als water, zuurstof en kooldioxide doorlaten. Zouten, die electrisch geladen zijn, of grotere moleculen kunnen dit membraan niet passeren.
Deze membranen zijn verantwoordelijk voor het fenomeen osmose. Zou een cel teveel zouten bevatten dan zwelt hij op en kan uiteindelijk uiteenspatten. Bevat hij daarentegen te weinig zout dan verliest hij water en krimpt ineen.

Het fenomeen van osmose wordt ook wel gebruikt voor het omzetten van zout in zoet water. Wordt zeewater onder hoge druk door een dergelijk kunstmatig membraan geperst dan blijven de zouten achter en het zoete water komt er aan de andere kant van het membraan uit. Dit proces wordt reverse-osmose genoemd. Zie ook blogbijdrage van Qabouter. Er bestaat wereldwijd industriele toepassing van deze vorm van zoetwaterwinning al kost het opwekken van de druk ook behoorlijk wat energie. Zie hiervoor ook de blogbijdrage van Jim Hasenaar.

Worden dit soort membranen daarentegen aan de monding van een rivier geplaatst dan kan er met het verschil in zoutconcentraties tussen het zeewater en het rivierwater drukverschil opgewekt worden waarmee een turbine aangezwengeld kan worden (zie kort filmpje).

http://c.brightcove.com/services/viewer/federated_f9/2227271001?isVid=1&publisherID=981571807

Een ander Nederlands model gebruikt membranen die selectief negatieve of positieve ionen doorlaten. Het positive natrium passeert het ene membraan en het negatieve chloor passeert het tegenoverliggende membraan. De membranen zijn impermeabel voor water. Daarmee wordt een potentiaalverschil gecreëerd tussen de twee membranen dat aan electroden wordt doorgegeven. Dit project heet ‘Blue Energy’. Bij de Rijnmond zou voor 650.000 huishoudens op deze manier energie opgewekt kunnen worden (Zie ook artikel Veerman).

De technieken die osmose gebruiken zijn nog in ontwikkeling en men gebruikt slechts kleinere prototypen, dus het kan nog wel even duren voordat ze echt toegepast zullen worden, maar het is weer een stap vooruit.


Informatie grotendeels uit New Scientist