Aardsysteemmodel: de aarde nadoen in een supercomputer
Een aardsysteemmodel is een enorm rekenprogramma dat probeert na te bootsen hoe de atmosfeer, de oceanen, het ijs, de bodem en de begroeiing van de aarde samen het klimaat vormen. Het draait op supercomputers en berekent, uitgaande van natuurkundige wetten, hoe temperatuur, neerslag, zeespiegel en tientallen andere grootheden zich de komende decennia tot eeuwen ontwikkelen. Vergelijk het met een digitale tweelingbroer van de planeet: geen foto, maar een levend rekenmodel waarin je de CO2-uitstoot kunt aanpassen en kunt zien wat er in het jaar 2100 met het klimaat gebeurt.
Het verschil met een gewoon weerbericht zit in tijdschaal en reikwijdte. Een weermodel rekent de huidige luchtdruk en wind een paar dagen vooruit om te voorspellen of het morgen regent. Een aardsysteemmodel doet iets fundamenteel anders: het simuleert niet alleen de lucht, maar ook hoe bossen groeien, ijskappen smelten, oceanen warmte en kooldioxide opnemen, en hoe al die processen elkaar beïnvloeden, over periodes van tientallen tot honderden jaren. Het is het verschil tussen voorspellen of het morgen regent en berekenen hoe een hele tuin er over dertig jaar bijstaat als je klimaat, bodem en planten allemaal laat meegroeien.
Wat is het precies?
Een aardsysteemmodel bestaat niet uit één programma, maar uit meerdere gekoppelde deelmodellen die elk een onderdeel van de aarde simuleren: een atmosfeermodel voor lucht en wolken, een oceaanmodel voor zeestromingen en warmteopslag, een zee-ijsmodel, een landoppervlaktemodel voor bodem, rivieren en vegetatie, en vaak ook een koolstofcyclusmodel dat bijhoudt hoeveel CO2 er door planten, bodem en oceanen wordt opgenomen of uitgestoten. Een stuk software, de 'coupler' (koppelaar), zorgt ervoor dat deze deelmodellen elke paar rekenstappen gegevens uitwisselen: hoeveel warmte, water en beweging er tussen atmosfeer en oceaan overgaat, bijvoorbeeld.
De aarde wordt daarbij opgedeeld in een driedimensionaal rekenrooster: denkbeeldige blokjes van typisch enkele tientallen tot honderd kilometer breed, met meerdere lagen in hoogte en diepte. Voor elk blokje berekent het model, aan de hand van natuurkundige wetten over stroming, straling en warmte, hoe de toestand verandert. Hoe fijner het rooster, hoe realistischer de simulatie, maar ook hoe meer rekenkracht het kost — een verdubbeling van de resolutie in alle richtingen betekent al gauw tien tot vijftien keer zoveel rekenwerk.
Sommige processen, zoals de vorming van individuele wolken of buien, zijn simpelweg te klein om in zo'n rooster te passen. Die worden 'geparametriseerd': benaderd met wiskundige vuistregels die het gemiddelde effect van dat proces binnen een roosterblok inschatten, zonder het proces zelf in detail door te rekenen. Dit is een van de grootste bronnen van onzekerheid in klimaatmodellen.
Voordat een simulatie echt begint, doorloopt een model een 'spin-up': het draait eerst honderden tot duizenden modeljaren door onder stabiele omstandigheden, totdat oceanen, ijs en koolstofcyclus in evenwicht zijn. Pas daarna voeren onderzoekers een scenario in, bijvoorbeeld een van de SSP-scenario's (Shared Socioeconomic Pathways, gedeelde sociaaleconomische ontwikkelpaden) die beschrijven hoeveel broeikasgas de mensheid in de toekomst naar verwachting uitstoot. Het model rekent vervolgens uit welk klimaat daarbij hoort. Om te controleren of een model betrouwbaar is, laten wetenschappers het eerst het klimaat sinds ongeveer 1850 naspelen en vergelijken de uitkomst met echte historische metingen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is begrijpen hoe het klimaatsysteem als geheel werkt, inclusief de terugkoppelingen die opwarming versterken of afremmen. Een bekend voorbeeld is de ijs-albedoterugkoppeling: minder zee-ijs betekent een donker oceaanoppervlak dat meer zonlicht absorbeert in plaats van reflecteert, wat de opwarming verder versterkt. Ook het ontdooien van permafrost, waarbij bevroren bodem methaan en CO2 vrijgeeft, is zo'n terugkoppeling die alleen met een gekoppeld model goed is door te rekenen.
Daarnaast leveren aardsysteemmodellen de projecties waarop internationaal klimaatbeleid steunt. De klimaatrapporten van het IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, het klimaatpanel van de Verenigde Naties) zijn grotendeels gebaseerd op uitkomsten van tientallen van dit soort modellen, en die rapporten vormen op hun beurt de wetenschappelijke basis onder afspraken als het Klimaatakkoord van Parijs.
Een derde toepassing is attributieonderzoek: berekenen hoeveel waarschijnlijker of heviger een specifieke hittegolf, overstroming of droogte is geworden door de menselijke bijdrage aan klimaatverandering. Ten slotte gebruiken beleidsmakers en waterbeheerders regionale uitkomsten van deze modellen, zoals verwachte zeespiegelstijging of veranderende neerslagpatronen, om dijken, landbouw en drinkwatervoorziening op de toekomst voor te bereiden.
Voorbeelden uit de praktijk
CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project, fase 6) is geen los model maar een internationale vergelijkingsronde waarin tussen 2016 en 2021 ruim honderd aardsysteemmodellen van onderzoeksgroepen wereldwijd dezelfde experimenten draaiden, zodat hun uitkomsten onderling vergelijkbaar zijn. De resultaten vormden de wetenschappelijke ruggengraat van het zesde IPCC-assessmentrapport (AR6, 2021).
EC-Earth3 is een Europees aardsystemmodel dat wordt ontwikkeld door een consortium van meer dan twintig instituten, waaronder in Nederland het KNMI, de Universiteit Utrecht en Wageningen University & Research. Het model leverde een van de vele bijdragen aan CMIP6.
CESM2 (Community Earth System Model, versie 2), ontwikkeld door het Amerikaanse National Center for Atmospheric Research (NCAR) en in 2018 uitgebracht, is een van de meest gebruikte open-source aardsysteemmodellen ter wereld en wordt door honderden onderzoeksgroepen als basis voor eigen studies gebruikt.
Destination Earth (DestinE) is een initiatief van de Europese Unie en het Europees Centrum voor Weersvoorspellingen op Middellange Termijn (ECMWF), gelanceerd in 2022, dat een zeer gedetailleerde 'digitale tweeling' van de aarde wil bouwen op exascale supercomputers om onder meer extreem weer en klimaataanpassing door te rekenen op kilometerschaal.
Het internationale DYAMOND-project, actief sinds 2016, laat zien hoe ver de techniek kan gaan: hierin draaien onderzoeksgroepen wereldwijd modellen op een resolutie van een paar kilometer, fijn genoeg om individuele onweersbuien direct te simuleren in plaats van te parametriseren — al is dat nog te rekenintensief voor simulaties van meer dan een paar weken tot maanden.
Hoe ver is de techniek?
De resolutie van aardsysteemmodellen is de afgelopen dertig jaar flink verbeterd: van roostercellen van enkele honderden kilometers in de jaren negentig naar doorgaans zo'n 100 kilometer nu bij simulaties over eeuwen. Kilometerschaal-modellen, die individuele buien en wolken direct doorrekenen in plaats van te parametriseren, zijn inmiddels technisch mogelijk dankzij exascale supercomputers (machines die meer dan een triljoen berekeningen per seconde uitvoeren), maar ze zijn nog te duur om routinematig eeuwenlange klimaatprojecties mee te maken.
Belangrijke onzekerheden blijven bestaan. De manier waarop wolken reageren op opwarming is nog altijd een van de grootste bronnen van verschil tussen modellen. Ook de dynamiek van de ijskappen op Groenland en Antarctica, met mogelijke kantelpunten die tot snellere zeespiegelstijging leiden, is lastig te simuleren. Regionale neerslagpatronen, zoals de toekomst van moessons of Europese droogtes, verschillen sterk per model.
Een concreet en actueel probleem is het zogeheten 'hot model'-verschijnsel: een aantal CMIP6-modellen bleek een hogere klimaatgevoeligheid te berekenen dan eerdere generaties, deels door verbeterde maar nog onzekere wolkenparametrisaties. Het IPCC schat in zijn zesde rapport (2021) de klimaatgevoeligheid — de opwarming bij een verdubbeling van CO2 in de atmosfeer — op een waarschijnlijke bandbreedte van 2,5 tot 4 graden Celsius, met 3 graden als beste schatting. Dat is een nauwere bandbreedte dan in eerdere rapporten, maar nog altijd geen exact getal. Kortom: de techniek is volwassen en wetenschappelijk breed gevalideerd, maar allerminst af, en nieuwe generaties modellen leveren niet automatisch nauwkeuriger uitkomsten op alle fronten.
Wie werken eraan?
Aardsysteemmodellen worden ontwikkeld door een klein aantal grote onderzoeksinstituten per land, vaak in samenwerking met universiteiten. In de Verenigde Staten zijn dat onder meer NCAR (National Center for Atmospheric Research) en NOAA GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory). In het Verenigd Koninkrijk ontwikkelt het Met Office Hadley Centre, samen met onderzoeksraad NERC, het UKESM. Duitsland heeft het Max Planck Institute for Meteorology, dat rekent op de faciliteiten van het Duitse klimaatrekencentrum DKRZ. Frankrijk brengt IPSL (Institut Pierre-Simon Laplace) en Météo-France/CNRM in.
Europa werkt bovendien samen in het EC-Earth-consortium, waarin ook Nederlandse instituten een rol spelen: het KNMI, de Universiteit Utrecht en Wageningen University & Research. Het ECMWF trekt met Destination Earth de ontwikkeling van zeer hoge-resolutiemodellen op Europees niveau. Buiten Europa dragen onder meer JAMSTEC en de Universiteit van Tokio (Japan), CSIRO (Australië) en het Beijing Climate Center en de Chinese Academy of Sciences (China) bij. De internationale afstemming tussen al deze groepen, inclusief de CMIP-vergelijkingsrondes, wordt gecoördineerd door het World Climate Research Programme (WCRP).