Sleutelen aan de aarde

Bron: 7 maart 2009

Wolken zaaien, zwaveldioxide verstuiven of een enorm zonnescherm maken. Grootse plannen om het broeikaseffect te beteugelen zijn voor het eerst vergeleken.

Door Michiel van Nieuwstadt, 7 maart 2009.

Ingenieurs kunnen het klimaat op aarde herstellen. Misschien. De opwarming van de aarde sinds de industriële revolutie valt te compenseren door de komende decennia zwaveldioxide in de stratosfeer te pompen. Jaarlijks is daarvoor een gashoeveelheid nodig vergelijkbaar met de helft van het zwaveldioxidegas dat vrijkwam bij de grootste recente vulkaanuitbarsting, die van de Pinatubo. We kunnen óók een kilometerslang kanon bouwen dat decennialang kleine ruimtevaartuigjes in de richting van de zon schiet. Op 1,5 miljoen kilometer van de aarde kunnen deze filterdunne schijven een zonnescherm vormen, acht keer zo groot als Spanje.

Megalomane plannen? De zwavelverstuiving en de zonneschermen kwamen als beste uit de eerste kwantitatieve vergelijking van grootschalige ingenieursprojecten die de opwarming van het klimaat op aarde de komende veertig jaar zouden kunnen temperen (Atmospheric Chemistry and Physics, januari 2009). Geo-engineering heet dat in het jargon, sleutelen aan de aarde.

Tim Lenton, hoogleraar aardwetenschappen aan de Universiteit van East Anglia in Norwich en zijn studente Naomi Vaughan rekenen in de studie voor dat de meeste plannen niet werken. Het enthousiasme van voorstanders heeft geleid tot overdreven claims over de effectiviteit van sommige voorstellen, schrijven zij.

Zo zou het witter maken van wolken boven de oceanen - door verstuiving van zeewater vanuit een vloot onconventionele zeilschepen - volgens cijfers van wolkenfysicus John Latham net zo effectief zijn als zwavelverstuiving of het megazonnescherm. Maar volgens Lenton moet Latham zijn ideeën nog eens goed narekenen, omdat hij de effectiviteit ervan overschat.

Broeikasgassen verwarmen de aarde, doordat ze infrarode straling opvangen die de aarde afgeeft als zij wordt opgewarmd door de zon. De mens produceert te veel broeikasgassen en geo-ingenieurs willen het probleem oplossen zónder de uitstoot van koolstofdioxide uit fossiele brandstoffen te beperken. Dat kan dus door de aarde af te schermen met zonneschermen, zelf verstoven sulfaatdruppeltjes of speciaal gezaaide wolken. Het kan door de aarde lichter van kleur te maken, wat betekent dat zij zonlicht beter weerkaatst. En het kan door opslag van koolstof, bijvoorbeeld in oceanen.

Allemaal grote plannen met grote bezwaren.

Want morrelen aan het gecompliceerde klimaatsysteem van de aarde is riskant. Zelfs áls het werkt kan het rampen veroorzaken. Veel wetenschappers vrezen dat studies naar geo-engineering de aandacht zullen afleiden van de beperking van de uitstoot van broeikasgassen door de mens. Dát probleem zullen we moeten aanpakken, zegt oceanograaf Hein de Baar van het Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ). Natuurlijk willen voorstanders van geo-engineering graag nog wat extra geld voor hun onderzoek, maar al dat gedoe leidt alleen maar af. We weten veel te weinig van de biosfeer om eraan te gaan zitten rommelen. Hou nou toch op. En wolkendeskundige Pier Siebesma van het KNMI zegt : Mensen die pretenderen te kunnen voorspellen hoe geo-engineering uitpakt overschatten onze kennis van het klimaatsysteem op een enorme manier.

Zelfs de wetenschappers die pleiten voor meer onderzoek naar geo-engineering onderkennen doorgaans de bezwaren. Maar ze wijzen erop dat passiviteit óók tot rampen kan leiden. Als we nu niks doen, kan het helemáál fout gaan op aarde, zegt Roger Angel - bedenker van het megazonnescherm van ruimtevaartuigjes (Proceedings of the National Academy of Sciences, 14 november 2006). Het klimaat kan in een zichzelf versterkende spiraal raken doordat ijs van de polen gaat smelten en grote hoeveelheden methaan vrijkomen uit de zeebodem. Als zoiets gebeurt, dan is het belangrijk dat we al over noodmaatregelen hebben nagedacht.

Hoe meer we de klimaatverandering vrezen, hoe minder kieskeurig we kunnen zijn over imperfecte oplossingen, zei de Amerikaanse fysicus Robert Socolow afgelopen najaar in een lezing over geo-engineering aan de universiteit van Princeton. We kunnen niet zo maar elk plan voor geo-engineering afwijzen.

Socolow ziet onderzoek naar geo-engineering als een verzekering tegen de risicos van klimaatverandering. Hij illustreerde zijn betoog met tabellen uit rapporten van het VN-klimaatpanel IPCC. De beste en de slechtste uitkomsten van klimaatverandering verschillen gigantisch van elkaar, zei Socolow. Er ligt geen lijn in het zand met veiligheid aan de ene kant en rampen aan de andere kant. We moeten er rekening mee houden dat het klimaat plotseling uit de hand loopt. Dat motiveert het onderzoek naar snelle geo-engineering, aangepast aan het plotseling optreden van een crisis.

De Nederlandse Nobelprijswinnaar Paul Crutzen legde 2,5 jaar geleden al uit dat grote hoeveelheden zwaveldioxide in de stratosfeer de aarde fors zouden afkoelen (Climatic Change, augustus 2006). Mijn publicatie uit 2006 was een wanhoopskreet, zegt Crutzen vanuit het Max Planck Instituut voor Atmosferische Chemie in Mainz. Er gebeurt zo weinig om het klimaatprobleem aan te pakken dat je een andere mogelijkheid achter de hand wilt hebben.

De meeste voorstanders betogen niet dat we ons halsoverkop in een of ander grootscheeps project moeten storten. Meteoroloog Alan Robock van Rutgers University in New Brunswick deed veel onderzoek naar de gevolgen van vulkaanuitbarstingen in het verleden: Ik ben blij dat Crutzen dit idee heeft geopperd, zegt hij aan de telefoon. Het heeft me een interessant studieobject opgeleverd, maar er is nog veel onderzoek nodig om te bepalen of het middel niet ernstiger is dan de kwaal. Nog los van de vraag wie er mag bepalen hoe warm het mag worden op aarde. Rusland en Canada zien ook de voordelen van een warmer klimaat zoals betere oogsten en lagere stookkosten.

In elk geval moeten optimisten en sceptici het eens kunnen worden over de meest onzinnige maatregelen. Zo noemt Tim Lenton het in zijn studie een beetje misplaatst dat ijzerbemesting van de oceanen al jarenlang in de aandacht staat. Door bemesting van oceanen met ijzer zou tot aan 2050 maximaal 19 miljard ton aan koolstof uit de atmosfeer kunnen worden gehaald, ruim drie procent van de reductie die nodig is om de CO2-concentratie terug te brengen naar pre-industrieel niveau - inclusief de toenemende uitstoot van broeikasgassen door de mens.

Op grond van de studies waarnaar verwezen wordt, vermoedt oceanograaf De Baar dat Lenton de effectiviteit van de bemestingsplannen nog overschat. IJzerbemesting als oplossing van het klimaatprobleem werkt gewoon niet, zegt hij. En als bemesting met ijzer niet werkt, dan werkt het met andere elementen zeker niet. Algen hebben ijzer nodig om te groeien, maar niet veel. Daarentegen vormen elementen als stikstof en fosfor in levende cellen één tot enkele procenten van het totaalgewicht. Voor bemesting met deze elementen is algauw honderd keer meer nodig dan voor bemesting met ijzer.

Het grote probleem van ijzerbemesting is dat de meeste koolstof die door algen wordt vastgelegd dieper in het water weer wordt afgebroken. Bacteriën zetten de koolstof uit de algen om in CO2. De Baar: Water tussen honderd en duizend meter diepte komt waarschijnlijk binnen enkele decennia weer aan het oppervlak. In ondiep water gaat het nog veel sneller. Om langdurig van de CO2 af te zijn moet het algenmateriaal worden afgevoerd naar veel grotere diepte. Dat gebeurt in beperkte mate en alleen op plaatsen waar de zee erg diep is.

Er zijn geen goede plannen voor geo-engineering, vinden veel wetenschappers. Lenton wijst er dan ook heel wat af. Wonderlijk, maar ogenschijnlijk effectief is het plan van energieconsultant Alvia Gaskill om het weerkaatsend vermogen van de aarde te verhogen door twee procent van het aardoppervlak te voorzien van wit polyetheen. De zonneschermen van Angel en zwavelwolken van Crutzen kunnen de gevolgen van een tot 2050 drastisch opgelopen CO2-spanning compenseren, het plan van Gaskill haalt dat doel voor tweederde. Hein de Baar noemt het plan niettemin onzinnig: Twee procent van het aardoppervlak komt neer op zes procent van het landoppervlak. En iedereen met een tuintafel weet dat zon oppervlak snel vies wordt door stof en algengroei.

Het weerkaatsend vermogen van de aarde valt ook te verhogen met reflecterende daken, genetisch gemodificeerde planten die meer licht weerkaatsen of witte wegen, maar al deze maatregelen zijn minder effectief, aldus Lenton. Het massaal aanplanten van bossen - een maatregel die wat gewoontjes oogt tussen al het grove geschut - zou een kleine 15 procent van de beoogde CO2-reductie halen. Grootscheepse pyrolyse - plantenmateriaal zuurstofloos verhitten en gebruiken om de vruchtbaarheid van de grond te verbeteren - haalt nauwelijks vijf procent. Het plan van de Nederlandse emeritus hoogleraar geochemie Roelof Schuiling om CO2 uit de lucht te vangen met olivijn wordt niet genoemd, omdat Lenton daarover geen wetenschappelijke publicatie kon achterhalen.

Blijven over de projecten die in elk geval zouden kunnen werken. Roger Angels zwerm zonneschermen op 1,5 miljoen kilometer van de aarde mag een effectieve oplossing zijn, maar wel erg vergezocht. Waarom een zonnescherm optuigen van vier miljoen km2 als een kleiner areaal aan zonnecellen op aarde kan voorzien in de energieconsumptie van de hele wereld? Het is een tijdsprobleem, legt Angel desgevraagd uit: Geo-engineering en projecten voor duurzame energie zijn twee totaal verschillende zaken. Als de wereld er niet op tijd in slaagt om over te schakelen op duurzame energie, dan moeten we een noodplan achter de hand hebben.

Het plan van Paul Crutzen - en Tom Wigley van het National Center for Atmospheric Research in Boulder - om zwaveldioxide in de stratosfeer te brengen, met ballonnen bijvoorbeeld, is minder ingewikkeld. Wigley rekende uit dat vijf gigaton zwaveldioxide per jaar genoeg zou zijn om de menselijke versterking van het broeikasgas geheel te compenseren. Bij de uitbarsting van de Pinatubo op de Filippijnen, de grootste vulkaanuitbarsting uit het recente verleden, kwam in juni 1991 twee keer zo veel vrij.

Wigley is niet voor commentaar bereikbaar en Crutzen laat weten dat hij sinds zijn publicatie in Climate Change niet meer aan het onderwerp werkt. Ik wil niet zo veel te maken hebben met politiek gevoelige themas, zegt hij. Wel merkt hij op dat de ingenieursaspecten van het zwaveldioxide verstuiven nog niet goed bekeken zijn.

Misschien kunnen we nog het beste een twintig kilometer hoge toren bouwen op de evenaar, zegt Alan Robock. Technisch is dat best mogelijk. We zouden het zwaveldioxide met een lange slang omhoog moeten brengen.

Uit zwaveldioxide dat door een vulkaanuitbarsting de stratosfeer wordt ingejaagd ontstaan op grote hoogte sulfaatdruppeltjes die zonlicht verstrooien. De wereldwijde afkoeling na vulkaanuitbarstingen is glashelder vastgesteld, zegt Robock. Er valt minder zonlicht op aarde. Maar daardoor krijg je ook minder verdamping en dat kan weer droogtes tot gevolg hebben.

De uitbarsting van de Pinatubo veroorzaakte droogtes in grote delen van Azië, zegt Robock. Als sulfaatdruppeltjes de aarde afschermen van de zon dan koelt het land veel sneller af dan de oceanen. De regen brengende moessons, waarvan in landen als China en India twee miljard mensen afhankelijk zijn, worden veroorzaakt door seizoenale temperatuursverschillen tussen land en zee. In het jaar na de uitbarsting van de Pinatubo was dat temperatuursverschil kleiner. Dat resulteerde in een gebrek aan neerslag. Eén slecht moessonjaar valt nog te overzien, maar als we jaarlijks zwaveldioxide de atmosfeer inschieten, dan creëer je een structureel probleem.

Crutzen bevestigt volmondig dat het bestuderen van dit soort neveneffecten belangrijk is. Ik heb nooit beweerd dat we zwavel in de atmosfeer zouden moeten gaan schieten. Ik heb alleen gezegd dat het onderzoek op dit gebied op gang zou moeten komen. Opmerkelijk genoeg ziet hij wel brood in het plan van wolkenfysicus John Latham om de vorming van laaghangende wolken boven de oceaan te stimuleren. Een interessant voorstel, zegt hij. Misschien is dat nog wel het allerbeste.

Latham wil zeewater de atmosfeer inblazen vanaf een vloot van wel duizend onbemande en onconventionele zeilschepen, uitgerust met verstuivers. Als het zeewater verdampt kan het zout dat overblijft hogerop dienen als condensatiekern voor de vorming van meer waterdruppeltjes in de aaneengesloten sluierbewolking die boven oceanen voorkomt op zon 500 meter boven het wateroppervlak (stratocumulus). Wolken met hetzelfde volume aan water, maar kleinere waterdruppeltjes zijn witter waardoor ze zonlicht beter weerkaatsen.

In zijn jongste publicatie over het onderwerp schrijft Latham dat een verdubbeling van de druppelconcentratie in wolken boven zee - die een kwart van de planeet bedekken - het weerkaatsend vermogen van wolken met zes procent zou verhogen - ruim voldoende om het broeikaseffect van een verdubbeling van de CO2-uitstoot tegen te gaan (Geophysical Research Abstracts, 2008).

Latham is het oneens met Lentons kritiek dat hij de effectiviteit van zijn plan overschat. In een commentaar schrijft hij dat Lenton zich baseert op op oude berekeningen die zijn gemaakt op de achterkant van een sigarendoos. Dat wolken zaaien boven de oceanen een fragmentarisch effect heeft op het klimaat wil hij desgevraagd wel erkennen. Het is zeker waar dat onze oplossingen minder mondiaal werken dan het spuiten van zwavel in de atmosfeer of het in de ruimte schieten van zonneschermen, zo laat hij weten in een reactie per e-mail. Maar wij denken dat stromingen in de oceaan en de atmosfeer zich over de aarde zullen herverdelen. De temperatuursdaling die resulteert is natuurlijk niet gelijkmatig verdeeld over de hele wereld, maar dat lukt met de andere twee technieken ook niet.

Wolkendeskundige Siebesma, hoogleraar aan de TU Delft, is sceptisch: Dat vervuiling of zoutdeeltjes wolkvorming kunnen stimuleren weten we al sinds de jaren zestig, zegt hij. Op satellietbeelden zijn prachtig de honderden kilometerslange wolkslierten te zien die worden veroorzaakt door de roetdeeltjes die zeeschepen uitstoten. De grote vraag is of die wolken lang genoeg blijven hangen. De wolken die schepen vormen blijven doorgaans maar zeven tot twaalf uur hangen. Je moet die condensatiekernen dus wel erg vaak vervangen.

Zelfs als het wolken zaaien werkt, dan wordt nog het klimaat plaatselijk uit het lood getrokken. Siebesma wijst er op dat wolken die lokaal boven oceanen voor afkoeling zorgen onvoorspelbare gevolgen hebben op de neerslag boven land.

Wolken vormen de belangrijkste bron van onzekerheid in de klimaatmodellen. Het is niet zeker of door opwarming meer of juist minder wolken ontstaan, zegt Siebesma. Maar dat is wel een cruciaal element in de prognoses van het IPCC, omdat de klimaatverandering zichzelf zou versterken als temperatuurstijging leidt tot minder wolken. Als het mechanisme andersom werkt kan wolkvorming juist een rem zijn op het broeikaseffect.

Voorlopig is het een illusie denkt Siebesma dat we een fenomeen als wolken waarvan we de dynamica nog niet goed begrijpen nu kunnen inzetten om het broeikaseffect tegen te gaan.

Dat argument geldt voor alle andere planeetomvattende sleutelplannen. De uitstoot van CO2 door mensen moet absoluut naar beneden, zegt ook Crutzen. Het aanpakken van de bron is het allerbelangrijkste. Geo-engineering mag niet gebruikt worden als argument om niet aan mitigatie te doen. Het is misdadig om te zeggen dat het klimaatprobleem valt op te lossen door eenvoudig wat zwavel in de atmosfeer te spuiten.

Bennett Foddy vergelijkt ons klimaat met een op hol geslagen tram. Hij is bio-ethicus aan de universiteit van Princeton. In een lezing schotelde Foddy zijn publiek het beeld voor van een tram die afdendert op een groepje van vijf mensen die op de rails vastgebonden liggen. De vijf zijn ten dode opgeschreven tenzij iemand de wissel omgooit. Het dilemma is: als je de wissel wél omgooit dan wordt één persoon op een ander traject overreden. Veel mensen vinden het immoreel om de wissel om te gooien, ook al komen zo minder mensen om. Het is erger om de veroorzaker te zijn van een catastrofe dan om een catastrofe te laten gebeuren. Eenzelfde gedachtengang speelt volgens Foddy een rol bij mensen die geo-engineering afwijzen, omdat morrelen aan het klimaat arrogant is. Of omdat het gelijkstaat met God spelen. Ten onrechte meent Foddy, want het klimaatprobleem zélf wordt óók door menselijk handelen veroorzaakt.

Info: De lezingen van Robert Socolow en Bennett Foddy staan op Youtube. Zoek op Socolow en Prospicience. Ook de studie van Lenton en Vaughan staat online: google: Lenton, Vaughan, en acpd.
(Rechtstreeks PDF: http://researchpages.net/media/resources/2009/01/27/acpd-2008-0680_.pdf)