ArchiefArtikelenZoeken
01.10.04

Klimaatverandering beïnvloedt hydrologische cyclus

Door: Han Dolman, Afdeling Hydrologie en GeoMilieuwetenschappen, Faculteit Aard- en Le

Wetenschappers zijn het erover eens dat het klimaat warmer wordt en dat de mens daar mede debet aan is. Oneens zijn ze het over de snelheid van die opwarming en de mate waarin de mens dan wel de natuur daarvoor verantwoordelijk is. Welke invloed heeft de klimaatverandering op de hydrologische cyclus, die voor het leven op aarde zo belangrijk is?

Kenmerkend voor de planeet aarde is dat daarop in grote hoeveelheden water voorkomt, zowel in vaste als in vloeibare of gasvormige toestand. Voor planten, dieren en mensen is vooral het water in vloeibare vorm van direct belang. Het water in gasvormige toestand speelt een belangrijke rol in het op temperatuur houden van de aarde, want waterdamp is het belangrijkste natuurlijke broeikasgas. Zonder broeikaswerking zou het op aarde 33 graden kouder zijn; water zorgt voor tweederde van dat effect. Daarnaast speelt water een grote rol bij het transport van warmte, zowel via luchtals via zeestromen.
(figuur 1). Het vaste water zit vooral in ijskappen, gletsjers of vastgevroren in de grond (permafrost). Het vloeibare water vinden we hoofdzakelijk in oceanen, zeeën, rivieren, meren, de bodem en in levende wezens (biosfeer). Het gasvormige water zit vooral in de atmosfeer, hoewel daar ook water voorkomt in vloeibare (zwevende druppeltjes) of vaste vorm (ijskristallen). Al deze reservoirs en toestanden worden met elkaar verbonden door de hydrologische cyclus. Die zorgt ervoor dat het water van het ene in het andere reservoir of van de ene in de andere toestand komt. Verdamping, transport, condensatie en neerslag vormen de kern van hydrologische cyclus (figuur 2). De zon is daarvan de grote motor.
In de hydrologische cyclus wordt ongeveer 1,4 miljard kubieke kilometer water rondgepompt. 96,5 procent daarvan bevindt zich in de oceanen en is zout. Van het resterende, zoete, water ligt 99,7 procent opgeslagen in ijskappen, de ondergrond of permafrost. Wat dan nog overblijft is het water in rivieren en meren. Met deze minieme fractie van de totale watervoorraad moet het leven op aarde het doen. Via de hydrologisch cyclus komt daarvoor per jaar slechts 42.600 km3 beschikbaar. Dat is de neerslag voorzover die op het aardoppervlak valt (119.000 km3) minus de directe verdamping. Daarvan wordt momenteel 8 tot 10 procent gebruikt, waarvan weer 69 procent voor landbouw, 23 procent voor industrie en 8 procent voor gebruik in huishoudens en instellingen. De wereldwatercrisis waarover in 2000 in Den Haag en vorig jaar in Kyoto op het Wereld Water Forum werd gesproken, gaat over het (duurzaam) gebruik van dit onderdeeltje van de hydrologische cyclus, en de gevoeligheid daarvan voor klimaatverandering. Juist omdat het leven op aarde afhankelijk is van een klein deel van de hydrologische cyclus en veranderingen in die cyclus door klimaatveranderingen grote gevolgen kunnen hebben, moeten we zorgvuldig omspringen met de beschikbare voorraden. Het is dus belangrijk te weten welke gevolgen de klimaatveranderingen precies hebben voor de hydrologische cyclus.

Intensivering
Het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), een groep wetenschappers die op verzoek van de Verenigde Naties iedere vijf jaar een rapport uitbrengt over het klimaat op aarde, stelt in zijn laatste rapport uit 2001 dat klimaatverandering zal leiden tot een intensivering van de hydrologische cyclus en dat die grote gevolgen kan hebben voor de beschikbaarheid van oppervlakte- en grondwater, irrigatie, opwekking van hydro-elektriciteit, scheepvaart en natte ecosystemen (wetlands). In het algemeen gaat het naar verwachting meer regenen, maar niet overal. Als het regent, zal dat ook vaker gebeuren in de vorm van hevige buien. Naar verwachting zullen er zowel meer hevige buien en wateroverlast alsook meer langdurige droogteperiodes voorkomen. De jaren 2003 en 2004 zijn mooie voorbeelden van wat ons te wachten kan staan. Volgens het IPCC is echter nog steeds moeilijk te voorspellen waar de gevolgen het grootst zullen zijn.
Dit laatste blijkt uit recent onderzoek naar de overstromingen van de Oder en de Elbe. Deze rivieren kampten in 1997 en 2002 met overstromingen van een hevigheid die normaal slechts eens in de honderd jaar voorkomt. De hypothese dat ze veroorzaakt werden door klimaatverandering lag dus voor de hand. Analyses van langdurige reeksen waterstanden laten echter zien dat er geen aanwijzingen bestaan voor een echte opwaartse trend in het voorkomen van extreme overstromingen. De overstromingen van 1997 en 2002 zouden dus heel goed toevalstreffers kunnen zijn.

Warmer en natter
De belangrijkste reden waarom we ons bij een stijging van de temperatuur zorgen moeten maken over de hydrologische cyclus ligt in de zogenoemde Claussius- Clapeyron-vergelijking. Daarin wordt een verband gelegd tussen de temperatuur van de lucht en de hoeveelheid vocht die de lucht kan vasthouden, de zogenoemde verzadigde dampspanning. Dit verband is niet lineair, maar exponentieel. Warme lucht kan meer water vasthouden bij verzadiging dan koude, en de extra hoeveelheid neemt toe per graad opwarming. Bij een temperatuur van 10°C kan de lucht per kilo 20 gram water vasthouden, bij 12°C is dat 14 procent meer (22,8 gram) en bij 14°C 26 gram. Als de mondiale temperatuur zoals verwacht enkele graden gaat stijgen, betekent dat dus dat de dampkring veel meer water kan opnemen en dat de neerslag navenant toeneemt. Alle recente klimaatmodellen leggen een relatie tussen een stijging van de temperatuur en toenemende neerslag. Zetten we ze op een rijtje dan valt echter op dat die toename minder groot is dan je zou veronderstellen op basis van de Claussius-Clapeyron-vergelijking. Blijkbaar zijn er binnen het klimaatsysteem terugkoppelingsprocessen die het effect van de temperatuurstijging op de neerslag verminderen. De intensivering van de hydrologische cyclus houdt dus niet alleen verband met de hoeveelheid water die lucht bij een hogere temperatuur kan opnemen, maar blijkbaar ook met de beperkte mogelijkheid van de atmosfeer om de warmte die vrijkomt bij de condensatie kwijt te raken aan andere luchtlagen. Op basis van de Claussius-Clapeyronvergelijking zou de neerslag 6 procent per graad opwarming toenemen; het gekoppelde atmosfeer-landoceaansysteem reduceert de toename echter tot 3,4 procent per graad opwarming.
Dit zijn echter mondiale rekenexercities die weinig zeggen over afzonderlijke gebieden. De gebruikte mondiale klimaatmodellen rekenen met zulke grote oppervlakten dat ze alleen over grote gebieden uitspraken kunnen doen. De voorspellingen van het KNMI dat de zomers in Nederland droger worden en de winters natter, zijn gebaseerd op wat de mondiale modellen voor West-Europa als geheel voorspellen.

Grotere extremen
Gaat de gemiddelde temperatuur inderdaad stijgen, dan kan dat op twee manieren. Het kan zijn dat de verdeling van koudere en warmere periodes rondom dat hogere gemiddelde hetzelfde blijft. In IPCC-termen neemt dan wel de gemiddelde temperatuur toe maar niet de variantie. Het kan echter ook zijn dat behalve de temperatuur ook de variantie toeneemt, wat betekent dat het aantal extreme gebeurtenissen toeneemt. In het eerste geval blijft de kromme hetzelfde en schuift deze alleen op naar rechts (= meer hittegolven), in het tweede geval verandert ook de kromme; deze wordt als het ware in elkaar gedrukt (= meer hittegolven plus vaker nieuwe hitterecords).
Samenlevingen zijn over het algemeen aangepast aan het neerslagregime dat hoort bij het middengebied tussen de (huidige) extremen, en achten de risico’s van neerslagregimes die horen bij (huidige) extremen aanvaardbaar. Als alleen het gemiddelde verschuift en de statistische verdeling hetzelfde blijft, zullen samenlevingen zich daarop moeten instellen, maar dat kan tamelijk geleidelijk. Als daarnaast ook de variantie groter wordt, stelt dat veel hogere en verdergaande eisen omdat ze veel vaker het hoofd moeten bieden aan extreme omstandigheden (figuur 3). Sommige van die extreme omstandigheden zijn bekend uit het verleden maar komen nu vaker voor, andere zijn nieuw (nieuwe records). Hier ligt de grote uitdaging voor het waterbeheer in Nederland en elders. Kunnen we de risico’s voldoende inschatten en weten we hoe het neerslagregime gaat veranderen?
Met meer inzicht in de veranderingen in neerslagregimes zijn we er nog niet. De hoeveelheid neerslag is natuurlijk een belangrijk gegeven, maar wat de gevolgen daarvan precies zijn wordt uiteindelijk bepaald door de herverdeling van dat water via verdamping, afstroming via het oppervlak en grondwatertoevoer. In die herverdeling spelen locale processen een cruciale rol. De geografische omstandigheden en verschillen in land- en bodemgebruik variëren op een veel kleinere schaal dan de neerslagvoorspellingen die uit de klimaatmodellen komen. Gedetailleerde klimaat- en neerslagvoorspellingen op lagere schaalniveaus hebben dus eigenlijk alleen zin als we op die niveaus ook betrouwbare en fysisch onderbouwde hydrologische modellen hebben om de gevolgen van veranderende neerslagregimes door te rekenen.
We moeten overigens bedenken dat niet alleen klimaatverandering gevolgen heeft voor de hydrologische cyclus en de beschikbaarheid van water. Ook menselijk ingrijpen heeft gevolgen voor de hydrologische cyclus en misschien zijn deze nog wel groter dan die van klimaatverandering. Zo verstoren de aanleg van duizenden (grote) dammen en stuwmeren, en grootschalige onttrekkingen van water aan de rivieren voor agrarisch, industrieel of huishoudelijk gebruik, de natuurlijke hydrologische cyclus. Grote rivieren als de Nijl, de Gele Rivier en de Colorado vallen (een deel van het jaar) droog of transporteren veel minder water. Naar schatting wordt 70 procent van alle (rivier)afvoer op aarde beïnvloed door menselijk ingrijpen.

Abrupte veranderingen
Klimaatveranderingen kunnen de problemen met de watervoorziening verergeren. Samenlevingen die op de rand van hun mogelijkheden opereren, kunnen daarvan de dupe worden. Zo wordt klimaatverandering, en dan met name vermindering van de neerslag, verant- woordelijk gehouden voor de ondergang van de Mayabeschaving. Aan de hand van het titaniumgehalte in afzettingen in de oceaan is vastgesteld dat drie grote achtereenvolgende droogteperioden rond 810, 860 en 910 na Christus zo’n grote druk op de Maya-samenleving gelegd hebben dat deze eraan ten onder gegaan is. Het vermoeden bestaat dat de 9de eeuw toch al droger was dan de voorgaande eeuwen en dat de beschikbaarheid van water reeds problematisch was.
De drie extreme droogteperioden, die drie tot negen jaar duurden, hebben de samenleving toen over de rand van de afgrond geduwd. De oorzaak van de afnemende neerslag was waarschijnlijk het naar het zuiden opschuiven van de Intertropische Convergentiezone (ITCZ) waardoor de windcirculatie veranderde en de moessons geen of veel minder regen brachten.
Dit voorbeeld laat zien dat geleidelijke veranderingen met voldoende tijd voor aanpassingen wellicht minder de norm zijn dan we tot nog toe dachten. Daarom concentreert het klimaatonderzoek van de laatste jaren zich steeds meer op het signaleren en begrijpen van abrupte klimaatveranderingen. Wat betreft de hydrologische cyclus zijn die abrupte veranderingen veruit het gevaarlijkste, vooral voor gebieden waar de beschikbaarheid van water toch al een probleem is, zoals bij de Maya’s in de 9de eeuw en de Sahel in de jaren tachtig van de 20ste eeuw.
Abrupte veranderingen zijn een gevolg van nietlineaire processen in het hydrologische systeem. Langzame veranderingen, zoals de teruglopende beschikbaarheid van water bij de Maya’s, kunnen plotseling het systeem een drempelwaarde doen overschrijden waardoor het niet meer (snel) in de oorspronkelijke toestand kan worden teruggebracht. Het hydrologische systeem verandert dan definitief of voor langere tijd. Er is dus sprake van een niet of moeilijk omkeerbaar proces. Ik noem twee voorbeelden.
Het eerste betreft een vergrote aanvoer van zoet (licht) water naar het noordelijke deel van de Atlantische Oceaan, bijvoorbeeld door een vergrote afvoer van de grote Russische rivieren of het afsmelten van ijs op Groenland. Hierdoor zou de thermohaliene circulatie (THC) in de oceanen ernstig verstoord kunnen worden. Bij Groenland en voor de kust van Labrador zakt zout (zwaar) water naar de oceaanbodem en stroomt daar vervolgens over de oceaanbodem in zuidelijke richting (de transportband of conveyer belt). Aan de oppervlakte vindt er een stroming in omgekeerde richting plaats die bekend staat als de (warme) Golfstroom. Als er meer zoet water in de noordelijke oceaan komt, zou dat kunnen leiden tot stopzetting van de transportband omdat er bij Groenland en Labrador te weinig zwaar, zout water zinkt. Verstoring van de THC kan leiden tot een abrupte wereldwijde veranderingen in klimaat en hydrologische cyclus.
Het tweede voorbeeld betreft West-Nederland. Door bemaling van de veengebieden waardoor het veen inklinkt en oxideert, heeft West-Nederland te maken met een gestage bodemdaling. Langs de rand van West-Nederland ligt zoet grondwater op zout zeewater, dat daar nog ligt vanuit een nabij, geologisch verleden. Doordat het zoete (grond)water wordt weggepompt, bestaat het gevaar dat het zoute water vanuit de Noordzee of vanuit de ondergrond opdringt. Veel putten waaruit zoet grondwater werd opgepompt, zijn al te zout geworden en moesten worden afgesloten. Stijging van de zeespiegel door klimaatverandering kan dit proces verergeren en het systeem over de drempel van zijn mogelijkheden jagen. De combinatie van bodemdaling en zeespiegelstijging kunnen er dan ineens toe leiden dat er geen grondwater meer opgepompt kan worden en de polders niet meer te bemalen zijn.

de rand
De hydrologische cyclus is een zeer ingewikkeld systeem waarin heel veel water omgaat maar waarvan slechts een miniem deel bepalend is voor het kunnen functioneren van samenlevingen. De cyclus kan veranderen door klimaatverandering. Vooral veranderingen in de verdeling van de neerslag zijn daarbij van belang. Maar nog belangrijker is hoe de mens daar vervolgens mee omgaat. Menselijk ingrijpen in de hydrologische cyclus heeft in de voorbije eeuwen geleid tot een verbetering van de levensomstandigheden: meer mensen kregen betrouwbaar drinkwater, de voedselproductie steeg door irrigatie, de opwekking van de hydro-elektriciteit nam een grote vlucht. Maar de ingrepen hebben het hydrologische systeem ook kwetsbaarder gemaakt. Er is een reëel gevaar dat veranderingen in de hydrologische cyclus (door klimaatveranderingen of door direct menselijk ingrijpen) het waterbeheer over een kritische grens duwen, zowel op mondiale als op regionale schaal. Jarenlang zijn de mogelijke abrupte veranderingen in de hydrologische cyclus veronachtzaamd. Het adequaat inspelen op die abrupte veranderingen zou echter wel eens bepalender kunnen zijn voor de toekomstige watervoorziening dan de geleidelijke veranderingen (een beetje meer water in de winter, een beetje minder in de zomer) waar de meesten zich tot nog toe druk over maken. In gebieden waar ecosystemen en samenlevingen toch al kwetsbaar zijn, kunnen klimaatveranderingen net het duwtje over de rand van de afgrond betekenen. ■

Han Dolman is hoogleraar en hoofd van de afdeling Hydrologie en GeoMilieuwetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam. Daar doet hij onderzoek naar het verband tussen veranderingen in het landgebruik en geochemische cyclussen zoals de waterkringloop.

VOOR LESMATERIAAL: ZIE WWW.GEOGRAFIE.NL

Literatuur

  • Allen M.R.& W.J. Ingram 2002. Constraints on future changes in climate and the hydrologic cycle. Nature 419: 224-232.
  • Committee on Abrupt Climate Change 2002. Abrupt Climate Change: inevitable surprises. National Academy Press, Washington.
  • Donkers, H. 2000. Een tragisch lot voor veel rivieren, Geografie 9 (3): 14-17.
  • Haug, G.H., D. Guenther, L.C. Peterson, D.M. Sigman, K.A. Hughen & B. Aeschlimann 2003. Climate and the Collapse of Maya Civilization. Science 299: 1731-1735.
  • Mudelsee, M., M. Boerngen, G. Tetzlaff & U. Gruenewald 2003. No upward trends in the occurrence of extreme floods in central Europe. Nature 425: 166-169.
  • Oki, T. 1999. The global water cycle. In Browning, K.A. & R.J. Gurney (eds). Global Energy and Water Cycles. Cambridge University Press, Cambridge.
  • Unesco 2003. Water for the People, Water for Life; The United Nations World Water Development Report. UNESCO Publishing, Paris.
  • Watson, R.T. et al. 2001. Climate Change 2001. A contribution of working groups I, II and II to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge.


Printversie