Kroniek 3: De aarde als levend systeem – Gaia in hittestand
JAN VAN ARKEL*
.
Wil je weten of er leven is op Mars, dan hoef je slechts te kijken naar de chemische samenstelling van de atmosfeer aldaar. Een planeet zonder leven zal een atmosfeer hebben die dicht tegen het chemische evenwicht aanzit. Dat wil zeggen, er komt geen energie vrij uit reacties tussen de gassen in die atmosfeer.
Als er wel leven is, zullen de organismen de atmosfeer wel moeten gebruiken als bron van grondstoffen en als plek om afval kwijt te raken – de atmosfeer is immers het enige mobiele medium op Mars. Zo’n gebruikte atmosfeer zou duidelijk verschillen van de evenwichtsatmosfeer van een dode planeet.
In 1965 maakten de spectroscopen duidelijk dat er bijna uitsluitend kooldioxide in de atmosfeer van Mars zit, en nauwelijks zuurstof en stikstof. Het ontbreekt de planetaire atmosfeer van Mars vrijwel geheel aan chemische reacties. Hij zit dus dichtbij het chemisch evenwicht en dat betekent dat er geen uitbundig leven kan zijn.
De Aarde is de planeet om dit aan te toetsen. We weten zeker dat er leven is en dat de atmosfeer ver uit het evenwicht is.
Methaan zit in onze atmosfeer op 1,5 delen per miljoen (ppm).* Zonlicht oxideert methaan, zodat na tien jaar twee derde ervan verdwenen is. Toch is het methaangehalte op Aarde al een miljoen jaar tamelijk constant, zoals we weten uit de analyse van de ijskernen. Het methaan wordt dus, behalve afgebroken, ook weer aangevuld.
Hetzelfde geldt voor zuurstof. Zuurstof zit op 21 procent. Ook het zuurstofgehalte is bijna onbegrijpelijk stabiel.
De natuurlijke kans op zo’n gebrek aan evenwicht is astronomisch klein, zegt James Lovelock. En ook de aanwezigheid van de andere gassen in onze atmosfeer – stikstof, kooldioxide, lachgas en dergelijke – is onmogelijk aan toeval te wijten. Omdat al deze gassen door organismen hetzij gemaakt, hetzij verwerkt worden, kon Lovelock eind jaren ’60 van de vorige eeuw de Gaia-hypothese naar voren brengen. Deze hypothese stelde dat de samenstelling van de atmosfeer op aarde in een dynamische stationaire toestand wordt gehouden door de aanwezigheid van leven. Sterker nog, als organismen de samenstelling van de atmosfeer kunnen beïnvloeden, dan kunnen ze misschien ook het klimaat op aarde reguleren om dat gunstig te laten blijven voor het leven op aarde.
We wisten in de jaren zestig al dat de zon tenminste 25 procent warmer is geworden sinds het leven 3,5 miljard jaar geleden begon. Het leven ging niet ten onder. De bewoonbaarheid van de Aarde moet dus wel op de een of andere manier gereguleerd zijn. ‘Waardoor?’, dat is dan de vraag.
Zo kwam Lovelock in 1965 op het idee van een zelfregulerende aarde met een levensgemeenschap die aan de knoppen zit. Dit zou later de naam Gaia krijgen. Een nieuwe hypothese was geboren, en wel een die wetenschappelijk op tal van manieren onderzocht kon worden.
Zo werd, wat begon als het ‘idee’ van Gaia, wat Lovelock betreft eind jaren ’60 een ‘hypothese’ met artikelen in wetenschappelijke tijdschriften die kritisch beoordeeld waren voor publicatie.
Ik put voor dit artikel van James Lovelock uit zijn boeken The Vanishing Face of Gaia – A Final Warning, (Allen Lane, 2009) en dan met name het hoofdstuk ‘The History of Gaia Theory’, en The Revenge of Gaia: Why the Earth is Fighting Back and How We Can Still Save Humanity, (de paperbackeditie van Penguin Books, 2007) en dan met name de eerste paar hoofdstukken (‘The State of the Earth’, ‘What is Gaia?’ en ‘The Life History of Gaia’).
In het Nederlands verscheen van James Lovelock in 2001 het rijk geïllustreerde boek Gaia – de genezing van de Aarde bij Uitgeverij Ankh-Hermes. Dit eindigde deels in de ramsj bij De Slegte.
James Lovelock (1919-2022) is het grootste deel van zijn leven zelfstandig wetenschapper geweest (met meer dan 200 wetenschappelijke artikelen op zijn naam) die vaak in opdracht werkte van universiteiten of instituten. Hij was vanaf 1974 lid van de Royal Society (Academie van wetenschappen), was eredocent aan de Universiteit van Oxford en won meerdere prestigieuze eerbewijzen en prijzen. In 2020 verscheen van hem nog een nieuw boek Welkom in het novaceen.
.
Ons begrip van de aarde wordt belemmerd door de snelheid van computermodellen. Deze zijn op zich goed, daar niet van. De moeilijkheid ontstaat uit het gemak waarmee de computermodellen van de rationele wetenschap nu te maken zijn. Dat gaat tegenwoordig even handig als het maken van een eenvoudig Gaia-model als de Madeliefjeswereld (zie aflevering 5). Zodra een groot computermodel gemaakt is en dat geloofwaardige resultaten oplevert, worden de voorspellingen ervan voor de toekomst voor waar aangenomen. Dat gebeurt vooral als het model, achteruit werkend, met succes het klimaat van voorgaande decennia ‘voorspelt’. Zo staat het er voor met de vele klimaatmodellen die in het kader van het IPCC in gebruik zijn.
Daartegenover staat de intuïtieve kijk van Gaia. Lovelock onderscheidt aan de ene kant de rationele stap-voor-stap-bewijsvoering van de harde wetenschap (die bijvoorbeeld het bestaan van atomen kan beredeneren, die dan weer bestaan uit deeltjes die tegelijkertijd golven zijn) en aan de andere kant de grote mate waarin instinct of intuïtie belangrijk zijn bij Gaia. De Gaia-theorie is een zogenaamde ‘gehele-systeemtheorie’ en kan als zodanig niet gemodelleerd worden met het gescheiden gebruik van de concepten van de aard- of menswetenschappen. (Zie aflevering 9.)
Bijna alle wetenschap is reductionistisch. Het is gangbaar dat iets in zulke kleine stukjes wordt opgebroken, dat die tenslotte niet verder opbreekbaar zijn, zoals atomen of DNA. Die stukjes worden dan onderzocht en weer aan elkaar geplakt in modellen. Dit heet rationeel.
Gehele-systeemwetenschap houdt zich daarentegen bezig met intact zijnde, werkende systemen zoals de aarde, levende organismen of zelfregulerende artefacten die gemaakt zijn door ingenieurs. Deze wetenschap is nog in opkomst (emergeert nog) en is vooralsnog geen gebruikelijke praktijk.
Met de komst van steeds krachtiger computers en steeds betere modellen (waarin de wetenschapper het driedimensionale beeld van alle kanten kan bekijken en benaderen) verlieten de aardwetenschappers en biologen hun veldwerk om een nieuw leven te beginnen met modellen die de echte wereld moesten voorstellen. Maar dan moet, zegt Lovelock, het modelbouwen niet voorlopen op observatie en meten. Anders loopt de wetenschap gevaar.
De onderzoekers in de aard- en menswetenschappen zijn volgens hem teveel op de validiteit van hun modellen gaan vertrouwen in het begrijpen van de aarde. En die betrouwbaarheid is kwestieus. Dat komt omdat de biologen er geen dynamisch reagerend milieu in stopten en de aardwetenschappers evoluerende, op milieuverandering reagerende organismen weg lieten. Het was misschien mathematisch moeilijk om dat wel te doen, maar het leidde tot een verkeerde praktijk, waar er met behulp van linearisatie schattingen (linearization approximations) worden ingestopt die daarna al te gemakkelijk uit beeld verdwijnen. En dan word je verrast door het vlindervleugelslageffect van Lorenz.
We moeten daarom naar het klimaat en de bevolkingsgroei leren kijken als één enkel nauwgekoppeld systeem. Alleen dan kunnen we betrouwbare voorspellingen verwachten.
.
Begin jaren ’70 maakte Lovelock kennis met Lynn Margulis. We hebben over haar al kunnen lezen in aflevering 4 van het artikel ‘De aarde leeft!’ in de rubriek Ecologie. Margulis liet het belang zien van de micro-organismen in de evolutie van onze planeet. Dat was haar grote bijdrage aan het Gaia-concept. Het werd duidelijk dat vanaf de start de ‘biota’ – dat wil zeggen alle levensvormen op aarde – micro-organismen waren, die 2 à 3 miljard jaar lang het rijk alleen hadden. Pas 500 à 900 miljoen jaar geleden begonnen de meercellige organismen een rol te spelen.
Margulis introduceerde Lovelock bij de aardwetenschappers H.D. Holland (Harvard) en James Walker (Yale). Deze twee verwierpen de Gaia-hypothese omdat ze meenden dat de geochemie voldoende verklaring bood. De aardwetenschappen als zodanig voldeden volgens hen als verklaring voor de evenwichten van de Aarde. Maar omdat ze uit het juiste wetenschappelijke hout gesneden waren, bediscussieerden zij de ideeën van Lovelock wel.*
Zo kwam Walker samen een aantal collega’s met een mechanisme op de proppen dat de temperatuur op aarde en het rijke voorkomen van kooldioxide stabiliseerde, en voor de verklaring ervan voldeed de geochemie heel goed. Ze gebruikten het algemeen aanvaarde feit dat er op aarde slechts één bron van kooldioxide is, namelijk tektonische processen en vulkanen. En dat er slechts één put is, namelijk het verwijderen van kooldioxide uit de lucht door zijn reactie – als het opgelost is in regenwater – met gesteente dat calciumsilicaat bevat (dat wil zeggen basalt en graniet). De producten van deze reactie zijn de in water oplosbare verbindingen calciumbicarbonaat en kiezelzuur en deze reizen via het grondwater en de rivieren naar de oceaan. Door verwering komt er steeds nieuw gesteente bloot.
Alles wat ze nodig hadden in deze verklaring was dat er bij hoge temperaturen meer water zal verdampen uit de oceaan en er meer regen zal vallen, wat het verweringsproces zal bevorderen, waardoor de kooldioxide in de lucht langzaam maar zeker zal verminderen. Dit is een dynamisch proces met een ingebouwde negatieve terugkoppeling die zowel de kooldioxide als de temperatuur kan stabiliseren.
Ze stelden feitelijk dat een levenloze aarde haar temperatuur kan reguleren rondom het niveau dat haar bewoonbaar maakt voor organismen.
.
Lovelock hoorde over deze mechanismen voor het eerst in het begin van de jaren ’80. Het klonk best plausibel, vond hij. Maar hoe zit het dan met de mossen en andere organismen die altijd op het gesteente zitten, en belangrijker, met de bodem, die met rotsfragmenten en al een rijk ecosysteem vormt met een interne atmosfeer die dertig keer zoveel kooldioxide bevat als de atmosfeer? De verwering zou hier wel eens veel sneller kunnen gaan dan de verwering van kale rotsen.
Een artikel dat in 1989 in het tijdschrift Nature verscheen, bevestigde deze kijk.* De organismen van een ecosysteem reageren op een temperatuurstijging door sneller te groeien. De planten nemen kooldioxide uit de lucht op; en in de bodem wordt meer kooldioxide geproduceerd door consumenten. De stroom kooldioxide uit de lucht naar het gesteente wordt versterkt en de verwering gaat sneller.
Kooldioxide uit de lucht halen verlaagt dan weer de temperatuur en zo stelt het systeem zich in op een dynamisch evenwicht dat zich beweegt rond de optimale omstandigheden voor plantengroei.
Organismen spelen ook in de oceaan een cruciale rol om de kooldioxide, die als calciumbicarbonaat meekomt met de rivieren, om te zetten in calciumcarbonaat, dat zich als sediment neervleit op de bodem van die oceaan.
Het hele proces, dat we biogeochemische verwering zouden kunnen noemen, is een Gaia-mechanisme. Het ligt als proces om de temperatuur op aarde te bewaren meer voor de hand dan de verklaring van Walker en zijn collega’s. Maar we hebben, aldus Lovelock, wel aan Walker te danken dat hij ons op dit spoor zette.
In 2008 kwam het bewijs, dat de aarde de hoeveelheid kooldioxide en de temperatuur zelf reguleerde, voort uit de gasmetingen in Antarctische ijskernen.* Die tonen ons voor honderdduizenden jaren de gegevens van zowel het kooldioxidegehalte als de temperatuur. In Lovelocks ogen was dit een fantastische steun voor de Gaia-theorie, maar de auteurs van het ijskernonderzoek zelf refereerden uitsluitend aan het genoemde Walker-model voor regulering. (Merk hierbij op dat de Gaia-hypothese bij Lovelock intussen is opgewaardeerd naar Gaia-theorie.)
Het hier besproken proces van oerregulering speelt zich af op een volkomen andere tijdschaal dan het experiment dat de mensheid momenteel uitvoert, door in razend tempo kooldioxide aan de atmosfeer toe te voegen. Wat de reactie van Gaia daarop kan zijn, zullen we verderop zien.
.
Margulis en Lovelock hadden dus gesteld dat organismen (oftewel de biosfeer) het klimaat en de gesteldheid (de compositie) van de aarde reguleren. Maar toen toonde Richard Dawkins aan dat dat onmogelijk was.* Dawkins liet zien dat het leven, of de biosfeer, op geen enkele manier iets kon reguleren buiten het fenotype van de individuele organismen die er deel van uitmaakten. Oftewel: Darwin en Gaia gaan op deze manier niet samen.
Lovelock twijfelde niet aan Darwin en erkende dat de kritiek van Dawkins deugde. Maar, hemeltjelief, het klimaat en de chemie werden toch zeker gereguleerd? De pure biologie, bewees Dawkins, kon het niet zijn. En, als het léven er niet voor zorgde, wat dan wel? Dan bleef alleen de geochemie en geofysica van Walker en Holland over en zo simpel als met hun verklaring kon het volgens Lovelock niet zijn. Het was immers overduidelijk dat de samenstelling van de atmosfeer ver uit het evenwicht was en dat iets dat reguleerde.
Zo kwam de gedachte op dat de kritiek van de biologen zou wegvallen als je kon aantonen dat het hele aardsysteem de regulator was – dus alle organismen samen met de lucht, de oceaan, het gesteente aan het aardoppervlak, alles bij elkaar. Om dat te bewijzen zou je een experiment met de hele aarde moeten uitvoeren. En dat is precies wat wij doen met onze kooldioxide-uitstoot. We verstoren het systeem en dat zal uiteindelijk het bewijs opleveren of er wel of niet sprake is van zelfregulatie zoals gesteld door de Gaia-hypothese.
En dat kon volgens Lovelock alvast getest worden met een holistisch model: ‘de Madeliefjeswereld’. Hij schreef het net voor de kerst van 1981.* Het model draaide op een 9845 Hewlett-Packard computer. Het toont kort en bondig de basis van de theorie en kan door iedereen worden getest om te zien of het gefalsifieerd kan worden. Dit is veelvuldig geprobeerd, maar falsifiëren is nooit gelukt, schrijft Lovelock.
Het programma beschrijft in wiskundige termen een zelfregulerend systeem van het klimaat op een eenvoudige platte planeet, met een ster zoals de zon, waarop in een simpel ecosysteem twee soorten madeliefjes evolueren volgens de manier van Darwin. De temperatuur aan het oppervlak van deze Madeliefjeswereld wordt bepaald door het deel van de zonnestraling dat wordt geabsorbeerd, respectievelijk wordt teruggekaatst, de ruimte in, en door de hoeveelheid warmte die in het infrarode deel van het spectrum wordt uitgestraald.
De Madeliefjeswereld was ‘een enorme stap in de geschiedenis van de Gaia-theorie’.
.
In de Madeliefjeswereld zijn er geen broeikasgassen die het klimaat compliceren en de weerkaatsing van de zonnestraling wordt bepaald door het aandeel van het oppervlak dat wordt bedekt door donker- of lichtgekleurde madeliefjes, of doordat de grond kaal is. De madeliefjes groeien niet onder de 5 of boven de 40 graden Celsius. Ze groeien het best bij 22,5 graad Celsius.
Het model moet dan laten zien wat er gebeurt als de zonnestraling langzaam toeneemt, net als gebeurd is bij onze eigen zon sinds de aarde 4,5 miljard jaar geleden gevormd werd.
Zodra een deel van deze koude planeet de 5 graden Celsius haalde, begonnen juist de donkere madeliefjes daar te groeien waar het warm genoeg werd, omdat ze als donkere planten meer warmte absorbeerden dan lichte. Al gauw nam de groei van de madeliefjes en de opwarming van het aardoppervlak snel toe. De madeliefjes verspreidden zich over een steeds groter oppervlak totdat de planeet te warm werd voor de madeliefjes om verder te groeien. Nu begonnen de lichtgekleurde madeliefjes om ruimte te concurreren, en naarmate de zon meer warmte afgaf, namen de lichte madeliefjes steeds meer ruimte in, totdat ze het aardoppervlak overheersten. Uiteindelijk gaf de zon teveel warmte af voor de lichte madeliefjes. Ze stierven snel uit en de temperatuur aan het aardoppervlak steeg zozeer dat het onbewoonbaar werd.
Een kenmerk van een model als dit is, dat het laat zien wat natuurkundigen ‘hysterese’ noemen. Dat houdt in dat als je de zaak terugdraait, dus de zonnewarmte laat afnemen in plaats van toenemen, de lichte madeliefjes niet verschijnen voordat er een aanzienlijk lagere temperatuur is bereikt dan waarbij ze het leven lieten – die 40 graden Celsius. Iets dergelijks geldt wanneer de aarde de toestand van een levenloze kou nadert. De donkere madeliefjes houden het nog uit bij een lagere zonnewarmte dan ze nodig hadden bij hun eerste verschijnen.
Lovelock was opgetogen over het feit dat het hele systeem van leven plus zijn milieu de temperatuur reguleerde op een niveau dat het optimum voor plantengroei sterk benaderde. Voor een model vol niet-lineaire differentiaalvergelijkingen was het ongelooflijk stabiel en gedroeg het zich goed. Het hield de temperatuur op een niveau dat ideaal is voor madeliefjes bij een behoorlijk grote verschuiving in warmtestraling, maar toen de zon te fel of te zwak werd verdween al het leven. Dat wil zeggen dat de planeet leefde bij aanvaardbare warmte-ontvangst, maar stierf als de zon te heet of te koud was.
Het is van belang te zien dat Madeliefjeswereld het model is van een emergent systeem waarin klimaat en organismen nauw verbonden zijn en samen evolueren.
.
Madeliefjeswereld is veel meer dan een populatiebiologie-model over de verspreiding van types madeliefjes over de wereld. Het is ook een klimaatmodel.
Wat maakt dit model speciaal? Dat is dat de groei en de selectie van planten in een model nauw verbonden wordt met hun vermogen het klimaat te beïnvloeden en erdoor beïnvloed te worden. Het laat zien hoe zo’n systeem de oppervlaktetemperatuur op aarde dicht tegen het optimum voor plantengroei kan houden bij een grote spreiding in de omvang van de straling.*
Lovelock schrijft dat Madeliefjeswereld werkte als een stok in een wespennest: allemaal boze biologen wilden het een doodsteek bezorgen. Maar tot op heden (schrijft hij in 2009) is dat niet gelukt. Het tijdschrift Nature gaf in 2002 als commentaar dat geen enkel eenvoudig model zoveel wetenschappers heeft geïrriteerd als madeliefjeswereld.
Zelfs met valsspelers – neutraalgekleurde madeliefjes die niets bijdroegen aan regulatie – bleef het model werken. De neutraalgekleurde madeliefjes kwamen alleen aan bod wanneer regulatie niet nodig was. Bij hitte bleven de lichte madeliefjes favoriet, bij koude de donkere.*
Madeliefjeswereld is zelf ook geëvolueerd en wel op twee manieren. In de eerste plaats is het sterk uitgebreid, zodat het wel honderd verschillende plantensoorten bevat, en ook herbivoren en carnivoren op drie trofische niveaus. In een andere versie komen zelfs spontane mutaties voor. Het bleef steeds uitstekend werken.
Stap voor stap maakte de Gaia-hypothese zo vorderingen in de richting van een theorie. In het begin van de jaren ’90 deed Gaia tien voorspellingen en intussen zijn acht van de tien juist gebleken (zie de tabel).
Figuur 3.1: Tien voorspellingen van Gaia, de manier waarop getest is en het resulterende oordeel.
De voorspellingen van goede theorieën leiden vaak tot een uitbarsting van nieuw wetenschappelijk onderzoek. Dit gebeurde met name bij de voorspelling van het bestaan van een verband tussen de biologische productie van dimethylsulfide door algen in de oceaan, wolken in de atmosfeer, de stralingsbalans van de aarde en klimaatregulering (voorspelling 5 in de tabel). In het tijdschrift Nature verscheen in 1987 een artikel over wolken, algen en klimaat.* Dat leidde tot honderden, misschien wel duizenden vervolgartikelen. Lovelock vatte, samen met professor Liss, in 2007 de opbrengst daarvan samen. Ze concludeerden dat het voorgestelde mechanisme alleen op het onvervuilde zuidelijk halfrond werd waargenomen. Zwavelvervuiling is op het noordelijk zeker tien maal zo groot als de natuurlijke productie van algen, zodat het effect van die algen aan de waarneming onttrokken wordt.
Zo vingen deze onderzoekers een glimp op van een van Gaia’s klimaatreguleringsmechanismen.
.
In het jaar 2001 vond in Amsterdam de conferentie van de Europese Unie van Geowetenschappen plaats. Meer dan duizend wetenschappers onderschreven daar een stellingname die als volgt begon:
‘Het aarde-systeem gedraagt zich als één enkel, zelfregulerend systeem dat is opgebouwd uit fysische, chemische, biologische en menselijke onderdelen.’
Lovelocks vrienden feliciteerden hem ermee dat Gaia eindelijk als wetenschap erkend werd. Maar zelf wist hij dat ‘er nog een lange weg te gaan was, dat deze verklaring onvolledig was en dat de Gaia-theorie niet werkelijk deel zou uitmaken van de exacte wetenschap,* totdat zo’n verklaring een wetenschappelijk aanvaardbare vertolking van het idee zou behelzen dat het dóel van de zelfregulering het behoud van de levensomstandigheden is.
Het woord zelfregulering is namelijk dubbelzinnig zolang er geen oogmerk, doel, of beslispunt van het systeem vaststaat. Maar met de rationele cartesiaanse logica van oorzaak en gevolg werpen woorden als einddoel, of bedoeling, onoverkomelijke obstakels op. Tegelijk weten ingenieurs en fysiologen dat zelfregulering zonder een doel onzin is – dat is zoiets als een vliegtuig op de automatische piloot die geen idee heeft waar hij naartoe moet.
De Australische fysicus Garth W. Paltridge heeft aangetoond dat planetaire milieus natuurlijk geselecteerd worden teneinde de planetaire productie van entropie zo groot mogelijk te maken. Met andere woorden teneinde de planeet netjes te houden met een ordelijk evenwicht op energiegebied. Levende organismen katalyseren het snelle bereiken van dit doel terwijl ze tegelijk de evolutie van het complete systeem vooruit helpen.* Paltridge geeft hiermee, schrijft Lovelock, een andere benadering van de Gaia-theorie.
Als we het klimaat willen begrijpen en ons aanpassen aan de veranderingen – of ze zelfs willen tegengaan – moeten we de aarde zien als iets wat verandering kan weerstaan totdat de druk te groot wordt, en wat er dan toe kan besluiten om, net als een levend dier, snel naar een veilige haven te vluchten. Vechten of vluchten hoort bij het leven en de aarde zelf. Gaia heeft zich tot nu toe verzet tegen onze ingrepen met behulp van negatieve terugkoppelingen. Gaia heeft zich te weer gesteld tegen de manier waarop wij de lucht veranderen met broeikasgassen en de natuurlijke beschermingslaag van bossen in akkers hebben omgezet.*
Wat is nu de toestand? Blijft Gaia in verzet?
Bijna niemand weet wat Gaia is. Zelfs Lovelock begreep de eerste tien jaar amper wat hij zelf bedacht had.
Het begon met het begrip biosfeer. Maar strikt genomen is dat slechts de dunne schil rond de Aarde waar leven heerst. Gaia begint echter al waar de gloeiende aardkern overgaat in vast gesteente, op 150 km diepte, en zij loopt dwars door de oceaan en door de lucht, opnieuw 150 km de hoogte in, tot de warme thermosfeer aan de rand van de ruimte. De biosfeer is er een deel van.
Gaia is een fysiologisch systeem dat onze planeet drie miljard jaar lang geschikt heeft gehouden voor het leven. Het heeft er alles van weg dat Gaia het onbewuste doel heeft gehad om het klimaat en de chemie in een voor het leven comfortabele toestand te houden. Dit doel is niet gefixeerd, maar beweegt mee met de omstandigheden. Het sluit bijvoorbeeld aan bij het warmer worden van de zon, maar ook bij wat voor soort leven er op een gegeven moment is (inclusief de grote overgang naar een zuurstofatmosfeer).
We moeten het systeem Gaia zien als een geheel van bezielde en onbezielde delen. De uitbundige groei die zonlicht mogelijk maakt, drijft Gaia aan, maar deze wilde, chaotische kracht wordt in toom gehouden door beperkingen die het doelgerichte wezen vormgeven dat zichzelf reguleert namens het leven. Zonder het onderkennen van deze begrenzingen voor de groei is er geen intuïtief begrip van Gaia, denkt Lovelock.*
De inperkingen treffen niet alleen de organismen of de biosfeer, maar ook het fysieke en chemische milieu. We snappen direct dat het gangbare leven niet tegen té warme, of té koude omstandigheden kan, maar we hebben niet direct door dat de oceaan aan haar oppervlakte een harde temperatuurgrens kent van 12 graden Celsius. Als die temperatuur wordt overschreden, wordt de oceaan een woestijn. (We behandelen dit in de volgende aflevering.) Een puur natuurkundige eigenschap van oceaanwater onthoudt dan – met fatale gevolgen – aan het leven in de zonverwarmde bovenlaag het noodzakelijke voedsel. Misschien houdt Gaia hierom de Aarde koel.
Lovelock benadrukt dat hij ‘de levende Aarde’ als synoniem voor Gaia beslist niet bedoelt alsof de Aarde bewustzijn heeft, of zelfs maar in leven is zoals een dier of een bacterie. De dogmatische, gelimiteerde definitie van leven moet wat hem betreft verruimd worden.*
‘De levende Aarde’ is eerder een metafoor die je helpt bij het intuïtieve nadenken over Gaia.
.
Als de zon de oceaan beschijnt, wordt het water bovenin warmer.* Het zet uit en wordt daarmee lichter dan het stilstaande, koudere water eronder. Die warme bovenlaag strekt zich uit tot een diepte van ergens tussen de 30 en de 100 meter. Deze laag vormt zich als het zonlicht sterk genoeg is om de oppervlaktetemperatuur boven de 10 graden Celsius te brengen.
De warme bovenlaag is stabiel en wil zich niet mengen met het koudere water eronder. Alleen woeste stormen, zoals tropische orkanen, krijgen dat voor elkaar. De vorming van de bovenlaag houdt een sterke beperking in van het leven in de oceaan. Primaire producenten die zich in het vroege voorjaar uitzaaien, volgen een successie die vrijwel alle voedingsstoffen in deze laag snel verbruikt. Dan sterven ze bij gebrek aan voedsel. De dode lichaampjes van deze voorjaarsuitbarsting zakken naar de oceaanbodem, waarna het algenleven in de laag aan de oppervlakte nog slechts een kwijnend bestaan leidt.
Hierdoor zijn tropische wateren zo helder; ze zijn de woestijnen van de oceaan. Kijk je naar de wereldkaart, dan zijn er in die oceaanwoestijn weliswaar oases te vinden langs de randen van de werelddelen – waar koud voedselrijk water uit de diepte opborrelt – en aan de monding van de grote rivieren – waar de afgevloeide meststoffen van onze culturen uitkomen – maar op het geheel van de oceaan spelen deze natuurlijke en kunstmatige oases een ondergeschikte rol.
Figuur 3.2: De oceanen met in kleur de mate van de algengroei. Op de plaatsen met de meeste algengroei is het groen. Het is woestijn in de blauwe gedeelten. Door de vertekening van de projectie lijken de groene gebieden groter dan ze in werkelijkheid zijn.
Met 80 procent van het wateroppervlak op aarde is het zo gesteld. Alleen aan de Noord- en de Zuidpool blijft de watertemperatuur steeds onder de 10 graden Celsius. Daar mengt het oppervlaktewater zich wel met de onderliggende lagen, tot op de bodem aan toe, en zo zijn voedingsstoffen daar overal voorhanden.
Je hoeft maar door de heldere, blauwe wateren van de Golfstroom van Amerika naar Europa te varen om bij Labrador ineens in donker, soepig water terecht te komen. Het leven in de oceaan mag dan wel van warmte houden, de natuurkundige eigenschappen van water maken dat er bij een warmte van boven de 10 graden weinig te genieten valt.
Dit is waarom Gaia het beter doet in koele of zelfs koude omstandigheden.
.
Vergeleken met de huidige toestand van het klimaat – een interglaciaal – is de ijstijd voor Gaia een veel betere toestand. Dan is er namelijk veel minder warm oppervlaktewater en dus oceaanleven in overvloed. Het water dat in een ijstijd uit de oceaan is opgenomen in het ijs doet het zeeniveau met 120 meter dalen, wat een stuk landoppervlak ter grootte van Afrika aan het gebied toevoegt waar planten kunnen groeien.
Er is meer leven op een koudere Aarde. Dat kunnen we eenvoudig afleiden uit het lage kooldioxidegehalte (van 180 à 200 ppm). Er is immers heel veel leven nodig om zoveel kooldioxide uit de atmosfeer te zuigen. Ook suggereren de onderzochte ijskernen (zie aflevering 1 van artikel 2) dat de uitstoot van dimethylsulfide (DMS) in de ijstijd bijna vijf keer zo hoog was als nu. De algen in de oceaan vormen daar de bron van.
Dit doet Lovelock concluderen dat Gaia liever de kou van een ijstijd heeft dan de huidige warmte.
Kun je daar een model van maken, vroeg Lovelock zich af? Zo gedacht, zo gedaan (in 1994, samen met Lee Kump). Het werd een Madeliefjeswereldachtig model, maar realistischer. In plaats van madeliefjes zitten er oceanische ecosystemen van algen in die het klimaat beïnvloeden door kooldioxide vast te leggen en die ook (met DMS) wolkenvorming bevorderen. Ook is er land met planten.*
Ze definieerden hun model door middel van het groeitempo van organismen bij verschillende temperaturen, net zoals het in ideale omstandigheden nu gaat bij algen en bossen, dat wil zeggen zonder dat er in (deze fase van) het model ooit tekort is aan voedingsstoffen en water. In deze opzet is de groei het grootst rond de 30 graden Celsius. Onder de nul en boven de 45 graden is er geen groei meer.
Toen voegden ze de natuurkundige eigenschappen van water toe (met de in de vorige aflevering genoemde lagen). Algen blijken het in de oceaan nu het beste te doen bij een temperatuur van 10 graden Celsius. En op het land is 20 graden Celsius de optimale temperatuur. Met een gestadig toenemende kracht van de zon geeft dat geen last.
Vervolgens werd het kooldioxidegehalte in het model stap voor stap verhoogd, net zoals het nu gaat. Het model toont een goede regulering, waarbij zowel de oceaan als de ecosystemen op het land hun bijdrage leveren. (De figuur staat in aflevering 12.)
Maar vanaf een kooldioxidegehalte van boven de 400 ppm begint dat te veranderen.
.
Geheel links begint de onderstaande figuur met een kooldioxide-uitstoot die net zo hoog is als in het pre-industriële tijdperk. Vervolgens laten Lovelock en Kump deze uitstoot oplopen totdat hij drie keer zo hoog was. Dat is minder dan hij nu is. Dit vertaalt zich vervolgens in de oplopende lijn voor het kooldioxidegehalte.
Figuur 3.3: Het resultaat van het model van Lovelock en Kump. De figuur laat zien wat er volgens het model van Lovelock en Kump met de temperatuur op Aarde gebeurt bij een oplopende kooldioxide-uitstoot.
De figuur bestaat uit twee delen. De bovenste helft toont de temperatuur op Aarde en helemaal bovenin zien we de constante hitte die heerst op een dode planeet. Er tussenin loopt de lijn van de ‘gevoeligheid’, het gemak of de moeite waarmee Gaia veranderingen kan opvangen. De kronkeltjes in de temperatuurlijn komen van een periodieke variatie in de zonnewarmte (die ook optreedt bij de hitte op de dode planeet).
In de onderste helft zien we drie lijnen, een voor kooldioxide, een voor de planten op het land en een voor de algen in de oceaan. De strakke lijn van het kooldioxidegehalte zien we langzaam oplopen.* Het systeem weerstaat deze trend, totdat het bij de 400 ppm minder stabiel lijkt te worden.* De temperatuur fluctueert feller.
We weten dat als in een systeem met krachtige niet-lineaire verbanden de druk toeneemt, de negatieve terugkoppeling verandert in een positieve terugkoppeling. Deze verandering is niet in verhouding tot bijvoorbeeld de toename van de kooldioxide, maar gekoppeld aan verandering: verandering in het kwadraat. Dan gaat het ineens van kwaad tot erger; dan wordt een punt bereikt dat het doorschiet.
Het maakt daarbij niet uit of er sprake is van opwarming of afkoeling. Een kleine vermindering van de opwarming kan eerst een opvallende daling in de temperatuur veroorzaken. En dan, ergens tussen de 400 en 500 ppm kooldioxide, veroorzaakt een kleine opwarming, of een kleine kooldioxidetoename, een plotselinge verhoging van de temperatuur met 5 graden Celsius. In deze hete toestand stabiliseert de modelplaneet zich weer en weerstaat verdere toenames van het kooldioxidegehalte. Het algenleven is dan verdwenen. Het plantenleven maakt een paar sprongen achteruit.
Het valt op dat de lijn van de gevoeligheid naar een dieptepunt daalt vlak voor de sprong naar de hete toestand. In mindere mate is dat ook te zien bij de temperatuur die op en neer blijft gaan tot vlak voor de sprong. Dit duidt erop dat een minder hoge temperatuur juist een voorbode kan zijn van een stap naar de woestijnwereld!*
Het heeft er dus zeer veel van weg dat Gaia drie klimaatstanden heeft.* De ijstijd heeft daarvan haar voorkeur. De stand van het huidige klimaat kan ermee door. De derde stand, die van 5 graden warmer, wordt alleen bij nood gekozen. Bij die stand hoort een (zich stabiliserend) kooldioxideniveau van 500 ppm, aldus Lovelock.*
Het gaat erom dat er tegenover alle positieve terugkoppelingen eigenlijk geen enkele negatieve terugkoppeling meer staat. Het enige wat Gaia kan doen, is doorschieten.
.
Hoe staan we er nu voor? We veranderen de Aarde nu zo erg dat zij kan opveren en teruggaan naar de hete stand van het begin van het Eoceen, 55 miljoen jaar geleden. Die verandering was groter dan het verschil tussen het klimaat van de ijstijd en dat van de negentiende eeuw. Deze hitte duurde 200.000 jaar. Keren die omstandigheden terug, dan zullen de meesten van ons, met hun nakomelingen, sterven.
Alleen als we inzien dat ons planetaire thuis op een bepaalde manier levend is, kunnen we, misschien voor het eerst, snappen dat we bezig zijn het levende weefsel van haar huid af te schaven en dat vervuiling niet alleen voor onszelf giftig is, maar ook voor haar. Dan snappen we pas hoezeer de stijgende gehaltes aan kooldioxide en methaan haar raken.
Hoe de Aarde zal reageren hangt niet alleen van wat wij haar aandoen, maar ook van haar huidige gezondheidstoestand. De Aarde is niet meer zo jong en sterk dat zij gemakkelijk haar eigen temperatuur kan reguleren. Het kan zijn dat zij te oud blijkt, zonder voldoende veerkracht.*
Het probleem is de extra warmte. De bron van die warmte doet er niet toe. Het kunnen de broeikasgassen zijn, het verdwijnen van het ijs aan de Noordpool, de verandering van de structuur van de oceaan, of de vernietiging van tropisch oerwoud – de opwarming wordt er door versterkt en de gevolgen stapelen zich meer dan op. Het is een positieve, dus zichzelf versterkende terugkoppeling, die volkomen uit de hand loopt.
Tweehonderd jaar geleden, toen wij nog slechts met 1 miljard mensen waren, konden we misschien nog duurzaam gaan leven. Nu wordt dat zeer moeilijk.
We ontdekten het broeikaseffect pas echt in de jaren ’80. Pas daarna leerden sommigen van ons dat de Aarde inderdaad zichzelf regelt. Maar het dringt nog steeds niet goed door hoezeer het systeem Aarde de kritieke toestand is genaderd waarin alle leven in gevaar is.
De meeste wetenschappers beperken zich nog tot de benadering van de systeemanalyse (artikel 2). En ook die maakt al pijnlijk duidelijk dat er kantelpunten zijn, die – eenmaal overschreden – de Aarde in een nieuwe, hete toestand zullen brengen, waaruit geen weg terug is.
We weten nu dat, als we van het ene op het andere moment al onze aanslagen op Gaia stopten (wat praktisch onmogelijk is), het de Aarde meer dan duizend jaar kost om te herstellen van de reeds aangebrachte schade.
De versnelling van de klimaatverandering die nu gaande is, zal het comfortabele milieu waarop we ons hebben ingesteld, bijna zeker verdrijven. En dat hebben we dan aan onszelf te danken.
En nog hebben we moeite dat in te zien, en kunnen we niet zomaar stoppen met onze hebberige economische en agrarische praktijken en onze machtswellust, verslaving of jaloezie.
