Veranderende prairie: Nieuwe studie onthult oorzaken van oude klimaatveranderingen

Scenery in Kansas at the modern-day boundary region between central North American prairie and temperate forests. De langdurige droogte tijdens het Holoceen heeft geleid tot een aanzienlijke uitbreiding van de prairie in de richting van het oosten, vergeleken met de huidige omvang.

Een nieuwe studie van de Universiteit van Helsinki biedt een overtuigende verklaring voor de verwoestende droogtes die duizenden jaren geleden in Noord-Amerika plaatsvonden. Deze periode, bekend als het Holoceen, omvat een tijd van over het algemeen warm klimaat na de laatste ijstijd. Deze uitzonderlijk langdurige droogtes hadden drastische gevolgen voor het afsterven van bossen en transformaties in ecosystemen; het begrijpen van hun oorzaken is essentieel voor het verbeteren van de veerkracht van de samenleving tegen toekomstige klimaatvariaties.

De redenen voor deze langdurige droogtes zijn echter nog steeds onduidelijk. In de nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Communications, analyseren onderzoekers van de Universiteit van Helsinki, samen met co-auteurs van Amerikaanse, Duitse en Zweedse onderzoeksinstellingen, de ontwikkeling en oorzaken van de droogte in het oosten van Noord-Amerika, in een breed gebied dat zich uitstrekt van de Rocky Mountains tot de Atlantische Oceaan.

“Bewijs van de afgelopen 11.000 jaar benadrukt dat de watervoorzieningen in Noord-Amerika in het verleden dramatisch zijn veranderd, waarbij droogtes soms zo ernstig waren als de droogte van de Dust Bowl in de jaren ’30, die eeuwen tot millennia duurden. Het begrijpen van de oorzaken en gevolgen van deze droogtes kan helpen onze capaciteit om toekomstige veranderingen te anticiperen te verbeteren,” legt Bryan Shuman, co-auteur van de studie van de Universiteit van Wyoming, uit.

In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers datasets van fossiele pollen, die in de afgelopen decennia op talrijke locaties in Noord-Amerika zijn verzameld. Met behulp van een computeralgoritme op basis van machine learning konden de onderzoekers de variatie van vochtigheidsniveaus tijdens het Holoceen reconstrueren op basis van de gefossiliseerde pollen.

De studie werd geleid door J. Sakari Salonen, een onderzoeksmedewerker van de Academie van Finland aan de afdeling Aardwetenschappen en Geografie van de Universiteit van Helsinki. Volgens Salonen bevestigt de studie dat de vochtigheidscondities duizenden jaren lang continu onder het huidige niveau lagen.

Salonen merkt echter op dat verschillende delen van Noord-Amerika verschillende droogtegeschiedenissen hebben ervaren. “De droge omstandigheden begonnen eerst in het noordoosten van de VS en de nabijgelegen regio’s van Canada, dat tegenwoordig een van de nattere gebieden van Noord-Amerika is. Hier zagen we de grootste droogte al 11.000 jaar geleden,” zegt Salonen.

De droogte verschuift vervolgens naar het westen. Salonen legt uit: “In het midden van het continent, waar we de moderne prairie hebben, zien we de meest ernstige droogte ongeveer 7.000 jaar geleden, duizenden jaren later dan aan de Atlantische kust. Tegen die tijd werd de Atlantische kust al natter, en het lijkt erop dat de hele klimaatafwijking die de duizenden jaren durende droogte veroorzaakte, westwaarts begon te migreren.”

“Bijzonder in het oosten van de VS is er vaak de perceptie dat water altijd beschikbaar is. Echter, studies uit het verleden tonen aan dat deze langdurige droogtes grote verschuivingen in het brandregime en boomsterfte kunnen veroorzaken, zelfs in het oosten. Het is dus essentieel om de ruimtelijke patronen van deze droogtes en hun oorzaken te begrijpen,” zegt Jack Williams van de Universiteit van Wisconsin–Madison, die ook aan de studie heeft bijgedragen.

De onderzoekers vergeleken hun klimaatreconstructies uit het Holoceen met numerieke klimaatsimulaties die ze voor dezelfde tijdsperioden uitvoerden. Deze supercomputerexperimenten stelden de wetenschappers in staat om te onderzoeken wat de oorzaken van de langdurige droogtes konden zijn.

Frederik Schenk, atmosferisch fysicus aan de Universiteit van Stockholm en gastwetenschapper aan de Universiteit van Helsinki, zegt dat de nieuwe generatie klimaatmodellen, uitgevoerd met 2–4 keer hogere resolutie dan voorheen, cruciaal was voor het ontrafelen van de oorzaken van de droogte. De oorzaken die door de klimaatsimulaties zijn onthuld, zijn tweeledig. “De simulaties tonen aan dat in het vroege Holoceen het hogedrukgebied bij het ijskap, dat in het noordelijke deel van het continent bleef, de vochttransporten stuurde, wat de geografische verschuiving in droge omstandigheden verklaart,” zegt Schenk. Nadat de ijskap smolt, zette de droogte zich over de hele regio voort, terwijl de zomers steeds warmer en droger werden.

De Holocene droogte vertoont interessante parallellen met het toekomstige klimaat dat naar verwachting in Noord-Amerika zal heersen in de komende decennia, naarmate de antropogene klimaatverandering vordert. Tegen het einde van deze eeuw wordt verwacht dat het grootste deel van Noord-Amerika steeds droger zal worden, ondanks geleidelijk toenemende neerslag. Dit komt doordat de toename van verdamping, door het opwarmende klimaat, naar verwachting de oppervlaktegrond zal uitdrogen, zelfs als de neerslag toeneemt.

De onderzoekers merken op dat dit precies is wat ze zien in hun simulaties van de Holocene droogte. “Over het algemeen zal een warmer klimaat natter zijn. Maar dit geldt niet voor alle regio’s. Zoals te zien is in onze resultaten, zijn er duidelijke regionale grenzen aan hoeveel regen kan worden geleverd om de door opwarming aangedreven verdamping in balans te houden. Voor de sterke zomerse opwarming in het verleden klopte het gewoon niet, wat leidde tot millennia-lange droogtes,” legt Schenk uit.

Echter, de onderliggende oorzaken van de verleden en toekomstige droogtes zijn verschillend. In het vroege Holoceen werd de droogte veroorzaakt door een langzame verandering in de baan van de aarde, waardoor de zomers warmer werden en uiteindelijk een groot deel van Noord-Amerika in droogte duwde. Tegenwoordig zijn de voortdurende opwarming en de voorspelde drogere omstandigheden het gevolg van de snelle toename van broeikasgassen in de atmosfeer.

“Als de klimaatprojecties voor deze eeuw waar blijken te zijn, kijken we naar een snelle herhaling van wat er, door natuurlijke oorzaken, 10.000 jaar geleden gebeurde,” zegt Salonen.