OCR Document

β Canon Klimaat
De grilligheid van het weer kent patronen die wel voorspelbaar zijn. Maar een
kleine ingreep kan al grote verandering geven.
Het klimaat is hot. Bijna dagelijks lezen wij over het broeikaseffect en de gevolgen
die dat voor miljarden mensen zal hebben. Alle commotie is gebaseerd op
klimaatmodellen die uitwijzen dat de temperatuur op aarde de komende honderd jaar
zal stijgen. Meer stormen en overstromingen zullen het gevolg zijn.
Maar klimaatmodellen zijn veredelde weermodellen. Hoe kan het dan dat
klimaatvoorspellingen zo serieus genomen worden terwijl niemand erop rekent dat
de weersvoorspelling voor volgende week zal uitkomen?
Het antwoord op die vraag ligt in het verschil tussen weer en klimaat. ‘Weer’ is de
toestand van de atmosfeer op een bepaalde plaats en een bepaald moment; een
chaotisch systeem dat niet voor langere periode te voorspellen is. Dat ontdekte de
Amerikaanse Meteoroloog Edward Lorenz toen hij besloot om met een simpel
computermodel een oude weersimulatie te herhalen. Voor het gemak gebruikte hij
beginvoorwaarden met drie in plaats van zes cijfers achter de komma. De voorspelde
weerpatronen waren totaal verschillend.
‘Klimaat’ is de gemiddelde toestand van het weer over meerdere jaren, en dat is veel
beter te voorspellen. Dat de herfst in Nederland bijna altijd nat is, bijvoorbeeld.
Het is mogelijk te reconstrueren hoe het klimaat vroeger was. Zo weten we
bijvoorbeeld dat er in Nederland gedurende de laatste tussenijstijd, zo’n 120 duizend
jaar geleden, zo warm was dat er nijlpaarden rondliepen. Toen de dinosaurussen hier
rondliepen was de zee rond de polen 15 graden en 600 miljoen jaar geleden had onze
Blauwe Planeet meer weg van een sneeuwbal. Maar of het regende in Amersfoort op
1 september 118.567 v. Chr. zullen we nooit weten.
Het klimaat op aarde wordt gedreven door energie van de zon en de draaiing van de
planeet. Omdat er veel meer zonnestraling op de evenaar valt dan op de polen,
ontstaat er een luchtcirculatie. Warme lucht stijgt in de tropen op en wordt richting
de polen getransporteerd. Maar omdat de aarde draait, wordt de luchtstroom
afgebogen. Zo ontstaan typische windsystemen en klimaatgordels: natte warme
tropen, warme droge woestijnen, koude droge polen en de gematigde zone waarin
Nederland ligt. Deze zone wordt gedomineerd door hoge- en lagedrukgebieden.
Nederland is daardoor een van de leukste gebieden om weerman te zijn. Als je van
afwisseling houdt, tenminste.
Dankzij de broeikasgassen in de atmosfeer is de gemiddelde temperatuur op aarde 15
graden. Als deze gassen geen zonnewarmte vasthielden, zou het -18 graden zijn. IJs,
sneeuw en wolken hebben het tegenovergestelde effect. Zij reflecteren een deel van
de zonnestraling die de aarde kan opwarmen.
Doordat het klimaat wordt gedreven door zonne-energie, beïnvloeden variaties in
zonnesterkte het systeem. De kleine ijstijd, de koude periode in de 15de tot de 19de
eeuw waarin opvallend veel winterlandschappen geschilderd zijn, is waarschijnlijk
het gevolg van een lichte afname in zonnesterkte.
Ook variaties in de baan van de aarde om de zon en schommelingen in de stand van
de aardas veroorzaken veranderingen in de intensiteit en verdeling van zonneenergie. Deze veranderingen volgen vaste cycli, die precies kloppen met het
regelmatige patroon van ijstijden en tussenijstijden. Volgens dit patroon is over zo’n
50 duizend jaar een volgende ijstijd te verwachten.
Ook van binnenuit kan het klimaatsysteem verstoord worden. Natuurlijk door het
gehalte aan broeikasgassen in de atmosfeer; hoe meer CO2, methaan en waterdamp,
hoe meer warmte wordt vastgehouden. Maar uitbarstingen van vulkanen hebben ook
invloed: fijnstof en gassen die vulkanen uitstoten, houden namelijk zonlicht tegen.
De uitbarsting van de Tambora op Indonesië in 1815 is daarvan een mooi voorbeeld.
Het jaar daarop staat bekend als het ‘het jaar zonder zomer’. Zelfs in de
zomermaanden sneeuwde het in Europa en de VS.
De factoren die het klimaat beïnvloeden, hebben onderling vaak een sterke
wisselwerking. Soms wordteen verstoring afgezwakt (negatieve terugkoppeling)
zoals bij de toename van broeikasgassen, die het warmer maakt, meer waterdamp
geeft, meer wolken, minder zonnestraling, en dus afkoeling. Maar omdat waterdamp
ook een broeikasgas is, geldt ook de positieve terugkoppeling: toename
broeikasgassen, meer warmte, meer waterdamp, opwarming.
Zo zijn er talloze positieve en negatieve terugkoppelingen. Allemaal werken ze op
verschillende tijd- en ruimteschalen. Het is onmogelijk om uit het hoofd te berekenen
wat er bij een bepaalde verstoring precies gebeurt. Maar als je alle processen in een
computermodel stopt, blijkt dat een kleine verstoring kan leiden tot abrupte
verschuivingen, van de ene gemiddelde toestand naar de andere. Alsof een bal over
de top van een berg geduwd wordt.
Abrupte klimaatveranderingen in het verleden, zoals de overgang van de laatste
koude periode in de ijstijd naar de huidige warme periode, waarin Groenland binnen
vijftig jaar zo’n 7 graden warmer werd, duiden op het bestaan van zulke
drempelwaarden in het klimaatsysteem.
Er is dus een mogelijkheid dat we het klimaat met het versterkte broeikaseffect over
zo’n drempelwaarde heen duwen naar een nieuwe toestand. Maar zelfs als we het
volledige klimaatsysteem perfect zouden kennen, is het exacte moment waarop de
drempel overschreden wordt, onmogelijk te berekenen. Dat hangt namelijk samen
met de onvoorspelbaarheid van het weer.
de Volkskrant, 14 april 2007 door Ane Wiersma
β Canon Oerknal
Het heelal ontstond 13,7 miljard jaar geleden uit niets. Kleine oneffenheden
werden de huidige sterrenstelsels.
Volgens de Bushongo in Centraal-Afrika was er in het begin alleen de duisternis, het
water, en de god Bumba. Toen Bumba op een dag enorme buikpijn kreeg, braakte hij
de zon, de maan en de sterren uit, en vervolgens de dieren en een enkele mens. Niet
elk scheppingsverhaal is even genuanceerd. Maar in welke vorm ze ook komen, elke
cultuur en elke religie vertelt zijn eigen versie van het verhaal hoe de wereld is
ontstaan.
Wij bevinden ons tegenwoordig in de bevoorrechte positie dat we de grote lijnen van
dat verhaal kennen. Cruciale doorbraken in ons inzicht in de wetten van de natuur
gepaard met baanbrekende waarneemexperimenten hebben ons in de laatste honderd
jaar in staat gesteld een coherent beeld te vormen van de geschiedenis en toekomst
van het heelal. Eén ding is zeker: het heelal begon zeker niet met een harde knal.
Elk verhaal heeft een begin. Dat van het heelal begint 13,7 miljard jaar geleden, als
de ruimte en tijd zelf ontstaan, en het heelal begint uit te dijen. Dat moment noemen
we nu de oerknal. Die naam is misleidend. Als er al sprake was van een knal, dan
was die zeker niet alleen helemaal aan het begin. Het heelal dijt nog steeds uit, en we
zitten dus nog midden in die explosie!
Met onze huidige kennis van de natuurkunde zijn we in staat te begrijpen wat er vlak
na dat begin gebeurde. Toen het heelal slechts een fractie van een seconde oud was,
werd de uitdijing exponentieel versneld door een onbekend energieveld dat het
universum vulde. Gedurende deze zogeheten periode van inflatie expandeerde het
huidig waarneembaar heelal binnen luttele momenten van de grootte van vele malen
kleiner dan een proton tot iets op zijn minst zo groot als een knikker.
Het heelal was in dat begin gevuld met een oersoep van licht en deeltjes - waterstof,
een beetje helium en een nog onbekende vorm van ‘donkere materie’. Alles was in
een nagenoeg perfect evenwicht: van een hoorbare explosie was dus geenszins
sprake. Het evenwicht werd slechts verstoord door zeer kleine rimpelingen, niet
groter dan een duizendste van een procent. Het blijkt dat alle structuur in het
universum, dus ook de zon en de aarde, uit die rimpels is ontstaan.
Als onze ogen gevoelig zouden zijn voor microgolven, dan zouden we ‘s nachts deze
rimpelingen aan de hemel kunnen zien. In 1964 ontdekten Penzias en Wilson bij
toeval dat er een homogene gloed van microgolfstraling waarneembaar was: het
bleek de al eerder voorspelde nagloed van de oerknal te zijn. Er was dertig jaar
technologische ontwikkeling nodig om de rimpelingen in de op het eerste oog
homogene gloed te kunnen ontwaren. Tegenwoordig zijn er satellieten met
specialistische apparatuur die op de miljoenste graad nauwkeurig de temperatuur van
de gloed kunnen meten.
Die inhomogeniteiten in de oersoep trekken onder invloed van de zwaartekracht
samen. Gebieden met hogere dichtheid worden daardoor dichter en gebieden met
lagere dichtheid worden dunner. Zowel wiskundige berekeningen als
computersimulaties laten zien dat dit proces uiteindelijk leidt tot een
materieverdeling met een structuur die veel weg heeft van een bijenkorf, of
bierschuim. In een kaart van alle waarneembare sterrenstelsels is die structuur van
slierten en vlakken inderdaad terug te zien.
Grote hoeveelheden waterstof trekken samen in de hoge dichtheidgebieden van die
schuimstructuur. De zwaartekracht is daar enorm, zodat het gas wordt samengeperst
en kernfusie wordt geïnitieerd: de eerste ster is geboren. In de kern van de ster wordt
het waterstof uit de oersoep omgezet in complexere deeltjes, en de daarbij
vrijgekomen energie wordt uitgestraald.
Een ster kan niet eeuwig blijven branden. Zodra de brandstof op is, is zijn leven ten
einde. Zware sterren sterven als een zogenoemde supernova. In een laatste adem
stoot de ster zijn gas af in een explosie die zo helder is dat de gloed ervan met het
blote oog te zien is op aarde. De deeltjes en het stof, afgestoten bij zo’n supernova,
kunnen weer samentrekken tot een nieuwe ster, of zelfs tot planeten. Alle elementen
anders dan waterstof of helium zijn ooit in de kern van een ster gevormd. Dat geldt
ook voor de elementen die belangrijk voor leven op aarde zijn, zoals koolstof en
zuurstof.
Hoewel we het verleden van het heelal steeds beter leren kennen, kunnen we over de
toekomst slechts speculeren. Recente metingen aan de snelheid van de uitdijing van
het heelal geven meer inzicht in het uiteindelijke lot van het universum. Zoals het er
nu naar uitziet, zal de uitdijing nooit stoppen. De kringloop van sterrenstof zal
doorgaan terwijl het heelal verder uitdijt. De hoeveelheid waterstof in het heelal is
echter eindig, dus op een gegeven moment is die brandstof op. De vorming van
nieuwe sterren is hiermee ten einde, en de sterren aan de hemel zullen doven.
Hoewel: aan elk goed verhaal zit een verrassende wending. Recente waarnemingen
wijzen op een ‘donkere energie’, een energieveld dat de uitdijing lijkt te versnellen,
een proces dat veel lijkt op wat gebeurde tijdens de kosmische inflatie. De exacte
herkomst van de donkere energie en de gevolgen voor het heelal zijn vooralsnog
onbekend.
De vooruitgang in onze kennis van het heelal gaat niet zonder horten of stoten. Elk
inzicht is het resultaat van decennia lang werk van getalenteerde onderzoekers. Door
hun jarenlange toewijding hebben goden plaats gemaakt voor natuurkundige
processen in onze moderne versie van het ontstaan van de wereld. Waar het heelal
13,7 miljard jaar over gedaan heeft, is in minder dan honderd jaar grotendeels
ontcijferd.
de Volkskrant, 21 april 2007, door Jelle Ritzerveld