Ecologie en klimaat in het licht van de vierde wet van de thermodynamica*
ALPHA LO*
Het idee van de aarde als een levend en zelforganiserend systeem, waarbinnen ecologie en klimaat als een organisme synergetisch samenwerken, is een verleidelijke beeld. In de afgelopen anderhalve eeuw hebben verschillende baanbrekende onderzoekers gewerkt aan hoe dit verhaal vanuit een wetenschappelijk perspectief in elkaar zou kunnen steken.
Dat verhaal is er een van circulatie. Zonlicht wordt door planten geabsorbeerd, vervolgens omgezet in chemische energie om zo door het voedselweb te circuleren. Ook water circuleert door het ecosysteem en de atmosfeer.
Dat verhaal is er ook een van entropie, van orde en wanorde. De energie van de zon helpt bij het creëren van verschillen,* gradiënten genaamd, in de vorm van temperatuur- en chemische gradiënten, die de drijvende krachten vormen achter de zelforganisatie van de ecologie en het klimaat. De aarde importeert orde van de zon, zet deze orde in om de planeet te runnen en exporteert de wanorde de ruimte in.
Dat verhaal is er tot slot een van de aarde als een cel, waarbij de atmosfeer van de aarde als het membraan van de cel fungeert. De cel laat haar membraan groeien. De aarde laat haar atmosfeer groeien (levensvormen op aarde scheiden gassen en water af die de atmosfeer creëren). De cel creëert een protonengradiënt over haar membraan die ze gebruikt om verschillende processen mee aan te sturen die essentieel zijn voor haar functioneren. De biodiversiteit op aarde creëert een temperatuurgradiënt in de atmosfeer die ze gebruikt om de convectie en de kleine waterkringloop mee aan te drijven, die essentieel zijn voor haar functioneren.
Deze ideeën over circulatie, orde, wanorde, entropie, energie en gradiënten maken deel uit van een vakgebied dat niet-evenwicht thermodynamica* (non-equilibrium thermodynamics) wordt genoemd. De eerste drie wetten van de thermodynamica gaan over systemen in evenwicht – veelal geïllustreerd aan de hand van een fluitketel die op kamertemperatuur is – en over de benadering van evenwicht – geïllustreerd aan de hand van de fluitketel die tot kamertemperatuur afkoelt. Daarnaast is er een vierde wet van de thermodynamica voorgesteld, die gaat over het aansturen van systemen die zich niet in evenwicht bevinden, zoals bijvoorbeeld het kokende water in een fluitketel op een fornuis. In dit soort systemen kunnen nieuwe vormen van orde emergeren, zoals de convectie- of stromingslussen die zich in de ketel vormen. Dergelijke vormen worden dissipatieve structuren genoemd. De vierde wet stelt dat deze niet-evenwicht systemen bij een maximaal vermogen* bewegen. In het geval van de stromingslus betekent dit dus dat warmte met een maximaal vermogen opgestuwd wordt.
Pas je deze vierde wet van de thermodynamica toe op het vakgebied van de ecologie, dan kan ze verduidelijken hoe het leven op aarde zichzelf is gaan organiseren om biodiverse ecologieën tot stand te brengen. Ook kan die wet verhelderen hoe het leven de temperatuurgradiënten en regenpatronen in de atmosfeer ontwikkelt om het leven in stand te houden.
Pas je deze vierde wet van de thermodynamica op het klimaat toe, dan blijkt dat je voor sommige klimaatscenario’s nauwkeurige resultaten kunt bereiken, zonder daarvoor mondiale klimaatmodellen te hoeven gebruiken die veel computersimulatietijd vergen. In potentie kan deze toepassing dus een revolutie ontketenen in de klimaatwetenschap. De vierde wet stelt ons wellicht in staat om te kwantificeren hoe het verlies aan biodiversiteit, het bodemverval en de waterkringloop op de continenten van invloed zijn op het ontstaan van extreem weer en de opwarming van de aarde.
Om meer zicht te krijgen op dit verhaal van zelforganisatie binnen systemen die zich niet in evenwicht bevinden, blikken we even terug in de tijd om te zien hoe deze ideeën zich ontwikkeld hebben.
Volgens de tweede wet van de thermodynamica moet de entropie altijd toenemen. Als dat zo is, hoe kan het dan dat het leven op aarde steeds complexer lijkt te worden? Dit was de vraag waar Ludwig Boltzmann – de grondlegger van de statistische mechanica die de basis vormde voor de thermodynamica – in de jaren zeventig van de negentiende eeuw mee worstelde. Boltzmann redeneerde dat ‘de algehele strijd om het bestaan van levende wezens er niet een is om grondstoffen […] maar om [negatieve] entropie, die beschikbaar komt middels de omzetting van energie die van de warme zon naar de koude aarde stroomt.’* Hij wees naar de niet-evenwicht eigenschappen van deze energiestroom (in de warmte die van de zon naar de aarde stroomt) als de sleutel tot de oplossing van het probleem van hoe de orde of negatieve entropie van het leven toe kan nemen. Helaas bezweek hij aan de verwoestende kracht van entropie voordat hij het probleem volledig doorgrond had.
Erwin Schrödinger, een natuurkundige die mede aan de wieg stond van de kwantummechanica, kwam tot een vergelijkbare conclusie. In 1944 schreef hij in zijn beroemde boek What is life? dat ‘de kunstgreep aan de hand waarvan een organisme zichzelf op een redelijk hoog niveau van orde (= een redelijk laag entropieniveau) in een stationaire toestand houdt, erin gelegen is dat het voortdurend orde uit zijn omgeving opzuigt.’
De aarde bevindt zich in een staat van niet-evenwicht omdat er voortdurend energie van de zon wordt ingevoerd, die in de vorm van straling weer naar de ruimte wordt uitgevoerd. De aarde bevindt zich binnen een veel groter systeem, het universum, dat meer ruimte heeft voor entropie, dus stelt de niet-evenwicht thermodynamica dat het universum meer van die entropie zal willen. De aarde evolueert dus naar een toestand waarbij ze almaar meer entropie uitvoert en zichzelf al doende ordent.
Het geheim van het leven, zo vertelden Boltzmann en Schrödinger ons, is te vinden in het doorgronden van de niet-evenwicht thermodynamica.
Alfred Lotka was een bio-wiskundige annex statisticus die de beroemde Lotka-Volterra vergelijkingen voor het modelleren van roofdier-prooi relaties heeft bedacht – vergelijkingen die hebben bijgedragen aan het ontstaan van de theoretische populatie-ecologie. Het was Lotka niet duidelijk waar natuurlijke selectie nu eigenlijk op selecteert. Het idee dat de natuurlijke selectie op fitness selecteert vond hij problematisch, omdat het niet duidelijk was wat de term fitness precies inhoudt. Definieer je fitness als datgene wat helpt om te overleven, dan levert dat de tautologische uitspraak op dat de natuurlijke selectie op die soorten selecteert die overleven. Lotka opperde daarentegen dat de natuurlijke selectie selecteert voor die organismen die evolueren om energie sneller door hun systeem te leiden. Hij stelde dat ‘organismen die sneller en effectiever energie afvangen en verbruiken een selectievoordeel hebben’ en dat ‘de natuurlijke selectie de neiging heeft om de energieflux door het systeem te maximaliseren, voor zover verenigbaar met de beperkingen waaraan het systeem onderhevig is.’*
In een ecosysteem met enkel planten en herbivoren, zo stelde hij, zal het systeem zich na verloop van tijd zo ontwikkelen dat de planten sneller groeien en er dus meer voedsel beschikbaar komt voor de planteneters. In zijn visie helpen dieren planten om sneller te groeien door voedingsstoffen voor de bodem uit te poepen en plantenzaden te verspreiden. De natuurlijke selectie selecteert op die dieren die de planten helpen. Op deze manier neigen ecosystemen dus naar een maximale energiestroom. Het plant-dier-systeem is een autokatalytische cyclus waarbij elk onderdeel het andere helpt te katalyseren. Zo zorgen planten voor meer dierengroei, en dieren voor meer plantengroei.
Hieruit volgt dat de eenheid van de natuurlijke selectie niet slechts het individuele organisme is, maar dat die selectie ook plaatsvindt op het niveau van de cyclus. Individuen evolueren. Autokatalytische cycli evolueren eveneens.
Een paar decennia later werkte Howard Odum, een ecoloog die mede aan de basis stond van de ecosysteemecologie, Lotka’s ideeën verder uit. Odum trok het veld in om de energiestromen door het ecosysteem te meten. Ook bestudeerde hij het waterleven en zag hij hoe algen voedingsstoffen aan de koraalpoliepen leverden waarin ze genesteld waren. Het trof Odum dat veel van de energiestromen door de trofische niveaus van het ecosysteem niet erg efficiënt verliepen. Dit bracht hem ertoe om een samenwerking aan te gaan met de natuurkundige Richard Pinkerton, wat uiteindelijk resulteerde in hun stelling dat ecosystemen niet naar een maximale efficiëntie tenderen, maar naar hun maximaal vermogen. Ze bouwden de ‘stelling van maximaal vermogen’ uit de elektronica om en pasten deze toe op de ecologie.*
De gevolgen daarvan lees je in de volgende aflevering.
Hoe systemen hun maximale vermogen produceren, kun je illustreren aan de hand van een fietstochtje. Trap je een lichte versnelling, dan ben je enerzijds efficiënt bezig omdat je geen wrijvingskracht verliest en je benen snel ronddraaien, maar zal je fiets anderzijds niet heel veel vaart maken. Trap je een zware versnelling, dan is dat erg inefficiënt vanwege de wrijvingsverliezen, dus zal je fiets opnieuw niet heel snel gaan. Tussen beide uitersten in bevindt zich een ‘sweet spot’, waar je met een gemiddeld tempo en een gemiddelde versnelling trapt om je fiets met maximaal vermogen voort te stuwen.
In een volgroeid ecosysteem zal het tempo waarop planten door herbivoren verorberd worden niet te laag liggen, omdat de planteneters dan niet genoeg energie vergaren. Anderzijds zal dat tempo ook niet te hoog liggen, omdat de planten dan sneller opgegeten worden dan ze terug kunnen groeien. Bij een laag consumptietempo maken dieren efficiënt gebruik van het voedsel, maar produceren ze te weinig poep om de vruchtbaarheid van de bodem voor de planten op peil te houden. Bij een hoog consumptietempo is er tijdelijk meer poep, maar neemt die hoeveelheid daarna af aangezien er, na verloop van tijd, te weinig planten zullen zijn voor de dieren. Er is dus een tussenniveau van consumptie dat het vermogen binnen het systeem maximaliseert.
In 1983 definieerde Odum het ‘principe van maximaal vermogen’ als volgt: ‘Tijdens hun zelforganisatie krijgen die systeemontwerpen de overhand die zowel hun vermogensinname en energietransformatie maximaliseren als dat gebruik dat hun productie en efficiëntie versterkt.’
Om de hypothese te testen dat systemen hun vermogensinname maximaliseren, deden Clay Montague, Joseph Davis en Tony Cai in 2005 een experiment. Ze installeerden een watertank met plankton erin en richtten er lampen op. Hoe lang de tank beschenen werd, was afhankelijk van de zuurgraad van het water. Het plankton kon die zuurgraad aanpassen door zuur af te scheiden. De onderzoekers wilden zien of het plankton zo zou evolueren dat ze de juiste hoeveelheid zuur afscheidden om de lampen langer te laten schijnen.
Het bleek dat de natuurlijke selectie er in een paar weken tijd – de levenscyclus van plankton bedraagt enkele dagen – inderdaad in slaagde om de zuurafgifte van het plankton te optimaliseren. Hetgeen doet vermoeden dat ze geëvolueerd zijn om hun vermogensinname te maximaliseren.*
Odum noemde het principe van maximaal vermogen de vierde wet van de thermodynamica. Er zijn ook andere hypothesen geopperd voor zo’n vierde wet, zoals het concept dat systemen die zich niet in evenwicht bevinden naar een maximale entropieproductie tenderen. Beide hypothesen zijn nauw verwant, aangezien het maximaliseren van de entropieproductie een maximale vermogensproductie vereist, omdat het systeem de energie zo snel mogelijk over een zo groot mogelijk aantal toestanden zal proberen te (her)verdelen.
Later in zijn wetenschappelijke carrière kwam Odum op de proppen met nog een vijfde en een zesde wet van de thermodynamica, die bedoeld waren om gedetailleerder te beschrijven hoe ecosystemen zich tijdens de fase van hun volwassenwording gedragen. Zijn hypothese luidde dat ecosystemen een vestigingsfase kennen waarin zogenaamde r-strategen, pioniersoorten die zich snel voortplanten, bevoordeeld worden, gevolgd door een onderhoudsfase waarin de voorkeur wordt gegeven aan k-strategen, die langzaam in aantal toenemen en dicht op de maximale draagkracht van hun habitat leven. In de onderhoudsfase gaat een aanzienlijk deel van de energiestroom in een ecosysteem op aan zijn onderhoud.*
David Holmgren, een van de twee grondleggers van de permacultuur, heeft ooit opgemerkt dat de twee personen die de grootste invloed hebben gehad op zijn ideeën over permacultuur Bill Mollison, die andere co-vader van het permacultuurconcept, en Howard Odum waren. Holmgren droeg zijn boek Permaculture dan ook op aan Odum en hij wijdde enkele korte passages aan diens principe van maximaal vermogen, maar ging er verder niet op in. In de permacultuur is het concept van afval=voedsel nauw verbonden met het concept van autokatalytische cycli. Verschillende permaculturen, zoals companion planting (het combineren van meerdere planten), hugelkultur (houtbedden) en compostthee, dragen via de autokatalytische cycli bij aan het maximaliseren van de vermogensstroom in de tuin en op de boerderij. Het centrale probleem van de intensieve landbouw is dat deze probeert om vermogen te genereren met methoden die de autokatalytische cycli vernietigen. De praktijk van de intensieve landbouw is te veel naar het rechter uiteinde van figuur 1 opgeschoven. In plaats van de plant-bodemcyclus te versterken, verstoren en verzwakken synthetische meststoffen en pesticiden die cyclus juist.
In mijn optiek kunnen de vierde wet en de niet-evenwicht thermodynamica de permacultuur van de benodigde wetenschappelijke basis voorzien, waardoor ze voor een groter publiek aantrekkelijk wordt. Howard Odum werkte samen met agro-ecologen om zijn ideeën in die beweging te integreren, en agro-ecologie wordt nu op veel universiteiten onderwezen.
Een dieper begrip van hoe de permacultuur en de agro-ecologie kunnen bijdragen aan de vermogensmaximalisatie in de atmosfeer, helpt ons om beter te begrijpen hoe de permacultuur en de agro-ecologie het herstel van het klimaat kunnen bevorderen – iets waar ik in aflevering 11 nog op terugkom.
Ilya Prigogine was een Belgische fysisch-chemicus die bestudeerde hoe systemen die ver van hun evenwicht verwijderd zijn orde produceren. In de jaren 60 beschreef hij hoe deze systemen dissipatieve structuren creëren. Dit werk leverde hem de Nobelprijs voor scheikunde op.
Om het concept van dissipatieve structuren te verduidelijken, kijken we naar het gedrag van een viskeuze vloeistof in een ketel die verhit wordt. De vloeistof probeert de warmte zo snel mogelijk af te voeren. Bij een laag vlamniveau wordt de warmte door middel van conductie (geleiding) naar boven doorgegeven, doordat vloeistofmoleculen de moleculen erboven in trilling brengen, terwijl de vloeistof als geheel onbeweeglijk blijft. Bij een hoog vlamniveau wordt de warmte overgedragen door middel van convectie (stroming), wat betekent dat de vloeistof begint te circuleren. Convectie kan warmte namelijk sneller opwaarts transporteren. Bij nog hogere vlamniveaus zullen deze stromingslussen zichzelf organiseren tot lussen die zeshoekige structuren in de vloeistof vormen, ook wel Rayleigh-Bénard-cellen genoemd.
Figuur 2: Figuur 2: Rayleigh-Bénard-cellen.
Bij welke bewegingssnelheid zullen deze stromingslussen de warmte het snelst opwaarts transporteren? Bewegen ze te snel, dan creëren ze zelf wrijving en warmte. Bewegen ze te traag, dan wordt de warmte niet snel genoeg naar boven doorgegeven. Tussen beide uitersten in is er dus een optimale bewegingssnelheid van de stromingslussen, waarbij ze de warmte het snelst omhoog transporteren. Deze optimale tussensnelheid is de toestand van maximaal vermogen. De vloeistof in de ketel wil met maximaal vermogen bewegen, omdat dat de snelste manier is om tot een maximale entropietoestand te komen.
Prigogine doopte deze georganiseerde stromingslussen dissipatieve structuren. Hij postuleerde dat wanneer een systeem ver van zijn evenwicht gedreven wordt, het altijd een gradiënt – een temperatuur- of een chemische gradiënt – zal hebben. Het systeem zal vervolgens proberen om deze gradiënt te reduceren, en in dat reductieproces produceert het orde in de vorm van dissipatieve structuren.
Orkanen, draaikolken en oscillerende enzymprocessen zoals de krebscyclus zijn voorbeelden van dissipatieve structuren. Dieren kun je opvatten als thermodynamische niet-evenwicht motoren die voedsel in poep omzetten. De autokatalytische cycli van diermoleculen, die elkaar maken en weer ongedaan maken terwijl ze voedsel verwerken, vormen een emergente dissipatieve structuur.
Om het leven op aarde en het ontstaan ervan beter te begrijpen, bouwden de marien geoloog Eric Schneider en de ecoloog James Kay voort op de ideeën van Prigogine en Odum. Daartoe herformuleerden ze de tweede wet van de thermodynamica: ‘Bewegen systemen weg van hun evenwicht, dan zullen ze alle beschikbare middelen benutten om de toegepaste gradiënten te reduceren. Nemen de toegepaste gradiënten toe, dan neemt ook het vermogen van het systeem toe om een verder weg bewegen van het evenwicht tegen te gaan.’ Verder schijven ze: ‘Vatten we de aarde op als een open thermodynamisch systeem met een grote gradiënt die door de zon op het systeem geïmponeerd wordt, dan schrijft de geherformuleerde tweede wet voor dat het systeem deze gradiënt zal reduceren door gebruik te maken van alle fysische en chemische processen die het tot zijn beschikking heeft. Onze hypothese luidt dat het leven op aarde niets anders is dan een manier om de door de zon opgewekte gradiënt te dissiperen en dat leven als zodanig een manifestatie is van de geherformuleerde tweede wet.’*
Het ecosysteem evolueert om meer zonlicht te kunnen absorberen, waardoor het meer vermogen kan opwekken door meer orde uit de fotonen te extraheren. De fotonen bereiken de aarde in een geordende vorm van zonlicht als korte-golf-straling met een hogere energiedichtheid. Vervolgens verdwijnt die straling de ruimte weer in, maar ditmaal in een meer ongeordende vorm als lange-golf-straling met een lagere energiedichtheid. De fotonen worden op de aarde gestraald in een geordend dag- (meer fotonen overdag, minder ’s nachts) en seizoenspatroon (meer in de zomer, minder in de winter), om na verloop van tijd in een meer verstrooide vorm met een hogere entropie terug de ruimte in gestraald te worden. Dat tijdverschil wordt verklaard doordat de bodem de warmte van de zon een tijdje kan vasthouden voordat ze deze afgeeft. Schneider en Kay schrijven: ‘Naarmate ecosystemen groeien en zich ontwikkelen, moeten ze hun totale dissipatie verhogen, complexere structuren met meer energiestromen ontwikkelen, hun cyclische activiteit opvoeren, een grotere diversiteit tot stand brengen en meer hiërarchische niveaus genereren – dit alles om de energie-afbraak te bevorderen. De soorten die in ecosystemen overleven, zijn degene die energie beter naar hun eigen productie en voortplanting weten door te sluizen en die bijdragen aan de autokatalytische processen die de totale dissipatie van het ecosysteem verhogen.’*
Schneider en Kay halen onderzoek aan dat aantoont dat volwassen ecosystemen lagere temperaturen kennen dan nabijgelegen kale, dorre landschappen, als bewijs dat volwassen ecosystemen beter zijn in het afbreken van de binnenkomende energie.
Wilhelm Ripl was een Oostenrijks ecoloog die erop gewezen heeft dat de aarde op zeker moment dissipatieve waterstructuren is gaan ontwikkelen. Daarover schreef hij: ‘De door de zon aangedreven dissipatieve water- en materiecycli – met de watercyclus als de belangrijkste dynamische factor – hebben het aangezicht van onze planeet gecreëerd en vormen de sleutel tot het leven. De verschillende energetische eigenschappen van water om energie te dissiperen, zoals de kringloopprocessen van verdamping en neerslag, van oplossing en kristallisatie, en tenslotte – water in de biologische cel – van de desintegratie van watermoleculen en de recombinatie van water (koolstoffixatie en ademhaling), vormen in een recursieve koppeling de drie meest essentiële cyclische waterprocessen die de zonnepuls dempen.’*
Planten, dieren, schimmels en bacteriën hebben water nodig. Vanuit het perspectief van de niet-evenwicht thermodynamica zien we dat als de autokatalytische cycli van het ecosysteem op zeker moment meer water nodig hebben om op een hoger vermogen te kunnen draaien, het systeem de neiging vertoont om manieren te ontwikkelen om de watervoorraad te vergroten. In het geval van de aarde zijn er twee waterkringlopen die gereguleerd kunnen worden om water naar planten te brengen: 1) de kleine waterkringloop – waarbij planten en de bodem water uit het land evapotranspireren, dat vervolgens in regen verandert, en 2) een zogenaamde lagere waterkringloop, waarbij boomwortels tijdens het natte seizoen water naar aquifers pompen, om dat water tijdens het droge seizoen weer op te pompen in een proces dat hydraulische herverdeling wordt genoemd.
Planten, dieren, schimmels en bacteriën kunnen van alles doen om de kleine waterkringloop op te voeren. Zo kunnen ze ervoor zorgen dat er meer regen in het landschap geabsorbeerd wordt en het wegspoelen van het water vertragen, waardoor er meer water beschikbaar komt voor evapotranspiratie. Ook kunnen schimmels, bacteriën, planten en dieren het organisch gehalte in de bodem zo verhogen dat deze meer regen absorbeert. Schimmels kunnen sporen in de lucht verspreiden, die als condensatiekernen fungeren om regendruppels te vormen. Dieren kunnen zaden verspreiden, die weer in vegetatie veranderen die het waterverloop vertraagt; ze kunnen gaten in de grond graven die het weglopen van water vertragen; en ze kunnen dammen in beken aanleggen waardoor de wateroverloop in het landschap gestimuleerd wordt. Hoe meer biodiversiteit, hoe meer manieren om de kleine waterkringloop te bevorderen.
Ripl legt uit dat naarmate ecosystemen en het klimaat volwassener worden, ze voor een beter beheer op meer lokale waterkringlopen zullen overstappen. Hij stelt dat naarmate de aarde evolueerde, ‘open systemen in meer gesloten en stabiele systemen veranderden als gevolg van een (in termen van grondstoffenverbruik) economischere omgang met en aanpassing aan lokaal en fase-gerelateerd gedrag. Deze beter geoptimaliseerde structuren konden groeien en zich uitbreiden, terwijl minder efficiënte processen met meer open structuren en hogere verliezen gedwongen werden om te krimpen. […] Het meest cruciale stabiliserende proces is de – tussen evapotranspiratie en neerslag – “kortgesloten” waterkringloop. Tot op grote hoogte vindt dit proces al onder en in het bladerdak plaats. Het beheer van de lokale materiestroom doet zich voornamelijk voor binnen de biota. Lokaal regelen de meer gesloten waterkringlopen – deels geïnternaliseerd in organismen en ecosysteemstructuren – dus de lokale, kortgesloten materiehuishouding.’
Naarmate de aarde meer zonlicht absorbeert doordat planten zich vermenigvuldigen, wordt de energiegradiënt op aarde groter en kunnen dissipatieve structuren zoals de kleine waterkringloop en de lagere waterkringloop in omvang toenemen. Vegetatie in het algemeen zorgt voor meer regen.
Waren alle continenten volledig met vegetatie bedekt, dan zou er vijftig procent meer regen vallen dan wanneer het land geheel braak ligt.* In meer volwassen ecosystemen zal deze regen, aldus Ripl, het product zijn van almaar lokalere kleine waterkringlopen.
Als je een stuk bos of grasland hebt, hoe weet je dan hoeveel van het water in dat landschap zal verdampen? Axel Kleidon, een Duitse natuurkundige die een overstap naar de klimaatwetenschap gemaakt heeft en aan het Max Planck Instituut werkt, ontdekte dat als er genoeg water in het landschap is, de kleine waterkringloop evolueert naar een waarde in de buurt van zijn maximale sterkte. Het temperatuurverschil tussen de bodem en de lucht bepaalt hoeveel water er verdampt, omdat dit verschil de opwaartse convectie (stroming) van water en lucht aandrijft. Dit temperatuurverschil loopt terug zodra er convectie plaatsvindt. Dat is omdat de bodem afkoelt wanneer water verdampt en de lucht opwarmt wanneer water condenseert en wolken vormt. Een kleiner temperatuurverschil houdt in dat de convectie afneemt en er minder water omhoog getransporteerd kan worden. Er is dus een maximum aan de hoeveelheid water die door de kleine waterkringloop kan stromen.*
Dit beeld van de atmosfeer die aangedreven wordt door een temperatuurgradiënt doet denken aan de rol van de protonengradiënt in een cel. Een cel creëert een membraan en legt daar een protonengradiënt overheen. Die gradiënt stelt de protonenstroom vervolgens in staat om ATP (adenosinetrifosfaat) te produceren, de drager van de chemische energie in alle levende cellen. Tijdens dit proces raakt de gradiënt geleidelijk uitgeput. In een vergelijkbare proces construeert de aarde de temperatuurgradiënt van de atmosfeer, opdat deze gebruikt kan worden om water omhoog te pompen, waardoor het ecosysteem over meer energie beschikt. In dit proces van omhoog stromend water raakt de temperatuurgradiënt geleidelijk uitgeput. In zekere zin kunnen we de aarde dus zien als een soort cel met een membraan.
In de loop van de evolutie heeft de aarde vele manieren ontwikkeld om de temperatuurgradiënt af te stemmen. Bijvoorbeeld door ervoor te zorgen dat de vegetatie toeneemt; door de albedo van de vegetatie te veranderen; door de warmtecapaciteit van de bodem bij te stellen; door koolstof vast te leggen of af te geven; door de hoeveelheid water anders over de continenten te verdelen; en door de hoeveelheid natuurlijke aerosolen in de atmosfeer aan te passen, waardoor er meer of minder wolken ontstaan en de evapotranspiratie stijgt of juist terugloopt. De niet-evenwicht thermodynamica stelt dat de aarde de temperatuurgradiënt afstemt op een waarde die het mogelijk maakt dat het planetenstelsel op maximaal vermogen functioneert.
We kunnen de protonengradiënt van een cel berekenen. Evenzo kunnen we berekeningen maken voor de kleine watercyclus van de atmosfeer, met uitkomsten die overeenstemmen met waargenomen metingen. Kleidon en Renner maakten gebruik van de vierde wet om de waargenomen waarden in de dagelijkse variatie van de verhouding van de voelbare warmte (de trillingsbeweging van de lucht) en de latente warmte (de warmte die in de waterdamp vervat zit) voor verschillende ecosystemen te verklaren.*
Een klimaatonderzoeker die hun resultaten narekende, concludeerde dat hun methode betere antwoorden opleverde dan mondiale klimaatmodellen.
Dat er ook een maximaal-vermogen-benadering van het klimaat mogelijk is, werd voor het eerst opgemerkt door Edward Lorenz, een van de vaders van de chaostheorie, toen hij signaleerde dat de atmosfeer, afhankelijk van de beperkingen, naar toestanden van maximale intensiteit neigt. Deze benadering is sindsdien door een hele reeks onderzoekers verder uitgewerkt en blijkt even goede resultaten op te leveren als mondiale klimaatmodellen. Enkele terreinen waarop deze benadering is toegepast, zijn hoe warmte zich door de atmosfeer van de evenaar naar de polen verplaatst*; hoe de waterkringloop op de opwarming van de aarde reageert*; voor het berekenen van het verschil in klimaatgevoeligheid tussen het land en de oceanen*; en voor het berekenen van het temperatuur- en neerslagverlies dat optreedt wanneer bossen in het Amazonegebied gekapt worden.
De thermodynamica stelt dat we niet alle bewegingen van de atomen hoeven te kennen om een macroscopisch begrip te krijgen van hoe een systeem zich gedraagt. Met behulp van de drie wetten van de thermodynamica zijn we in staat om nauwkeurige berekeningen te maken over het gedrag van systemen.
Ook de niet-evenwicht thermodynamica is van toepassing op de klimaatwetenschap. Veel mondiale klimaatmodellen maken gebruik van gedetailleerde informatie over hoe de lucht beweegt. Toch is deze kennis niet per se nodig om nauwkeurige berekeningen te kunnen maken over het gedrag van de atmosfeer. De jongere (en nog niet volledig uitgekristalliseerde) vierde wet van de thermodynamica maakt het ons mogelijk inzichtelijk te maken waarom het klimaat bepaalde gedragingen vertoont. Deze benadering stelt ons in staat om een vergelijking op te stellen van hoe het klimaat op bepaalde drijvende krachten reageert – in tegenstelling tot mondiale klimaatmodellen die alleen uitkomsten op basis van simulaties kunnen genereren. Door ecologie en klimaat eenzelfde theoretisch fundament te verschaffen, kunnen we kwantificeren hoe de twee gekoppeld zijn zonder alle details te kennen, omdat we weten dat ze naar bepaalde maximale toestanden zullen evolueren. Ik heb zo’n vermoeden dat de niet-evenwicht thermodynamica, dissipatieve structuren en de vierde wet de komende jaren een revolutie teweeg zullen brengen in de klimaatwetenschap. Naast de huidige mondiale klimaatmodellen zullen ze een eigen en gerespecteerde plek opeisen.
Eén gebied waarop de vierde wet van de thermodynamica behulpzaam kan zijn, is het verhelderen van het belang van zogenaamde teleconnecties – hoe ontbossing op het ene continent het weer op een ander continent kan beïnvloeden.
Recentelijk hebben mondiale klimaatmodellen laten zien hoe grootschalige ontbossing van invloed is op atmosferische circulaties zoals de Hadley-cel, die vervolgens weer een impact kan hebben op de straalstroom en ervoor kan zorgen dat deze gaat meanderen. Wanneer straalstromen ‘aan de wandel gaan’, kan dit op allerlei plekken op de wereld tot extreme weersomstandigheden leiden, waaronder de enorme sneeuwstorm waardoor Texas in 2022 getroffen werd.
De Hadley-cel en de straalstroom kunnen worden beschreven in termen van de toestand van maximaal vermogen die ze bereiken. Veranderen we de hydratatieniveaus van het landschap op een continent, dan zal dat een uitwerking hebben op de toestand van maximaal vermogen van de straalstroom, wat weer doorwerkt in het aantal extreme weersverschijnselen. De hydratatie van het landschap kan negatief beïnvloed worden door antropogene ingrepen zoals ontbossing, bebouwing, de aanleg van wegen en de bouw van rioleringssystemen, die ervoor zorgen dat water uit het land wegvloeit. De hydratatie van het land kan positief beïnvloed worden door bevers, biodiversiteit, het herstel van draslanden, de verhoging van het organisch gehalte van de bodem en het gebruik van landbouwmethoden uit de permacultuur en de agro-ecologie. Wellicht dat het mogelijk is om aan de hand van het principe van maximaal vermogen een vergelijking af te leiden voor hoe groot de weerslag van veranderingen in de hydratatie van het landschap op extreem weer precies is. Kwantificeren we vervolgens welke invloed antropogene veranderingen op de hydratatie van het land hebben, dan krijgen we een bepaling van hoe antropogene veranderingen in het landgebruik van invloed zijn op extreem weer.
Een van de redenen waarom het ‘CO₂ heeft een weerslag op het klimaat’-verhaal veel meer impact heeft dan het ‘landgebruik, water en biodiversiteit hebben een weerslag op het klimaat’-verhaal, ook al zijn beide belangrijk, is dat het CO₂-verhaal zich veel gemakkelijker laat kwantificeren. Doordat de niet-evenwicht thermodynamica ons de middelen verschaft om de invloed van water, landgebruik en biodiversiteit op het klimaat te kwantificeren, zal ze zich in de toekomst allicht tot een nuttig instrument voor de klimaatbeweging ontpoppen.
De afgelopen anderhalve eeuw zijn we getuige geweest van de – trage – opkomst van een visie op ecologie en klimaat die geworteld is in een denken in zelforganiserende, complexe systemen en de niet-evenwicht thermodynamica. Het is een visie die gebaard is door een uitgelezen gezelschap pioniers, van wie menigeen zelf aan de wieg heeft gestaan van de eigen wetenschapsdiscipline. Denk aan Boltzmann en de statistische mechanica, Schrödinger en de kwantummechanica, Lotka en de populatie-ecologie, Odum en de systeemecologie en Lorenz en de chaostheorie. Hun onderzoek, tezamen met dat van anderen, vormt een fenomenaal wetenschappelijk kader dat licht werpt op hoe de biodiversiteit gekoppeld is aan het het klimaat, ermee co-evolueert en het in laatste instantie ook creëert. Dat laat zien hoe de aarde zichzelf reguleert via haar atmosferische membraan. En dat duidelijk maakt waarom de natuur zoveel beter is in het runnen van de planeet dan welke kunstmatige infrastructuur ook.
De niet-evenwicht thermodynamica zou ons ook de weg kunnen wijzen naar hoe we onze economie met de ecologie in overeenstemming kunnen brengen, aangezien de vierde wet ook op de economie van toepassing is.* Met behulp van deze wet moet het mogelijk zijn om een paradigma te ontwikkelen waarin de economie een onderdeel is van, en ondergeschikt is aan de ecologie. Ook bestaan er wellicht manieren om het bbp te verruilen voor het principe van maximaal vermogen als maatstaf voor een gezonde economie. Idealiter resulteert dat in een situatie waarin een groeiende biodiversiteit tot een groeiende economie leidt, en een groeiende economie tot het herstel van het klimaat.
De niet-evenwicht thermodynamica is een opkomende tak van wetenschap die in de toekomst nog veel meer belangrijke inzichten zal opleveren over de werking van onze planeet.
