De atmosferische geheugen dat miljarden mensen voedt: Mechanisme van moessonregens ontdekt

Meridionale moesson circulatie op de Moesson Planeet.

Over de hele wereld schakelt de moessonneerslag in het voorjaar aan en in de herfst uit. Tot nu toe werd dit seizoensgebonden patroon voornamelijk begrepen als een directe reactie op veranderingen in zonne-energie.

Een nieuwe studie van het Potsdam Instituut voor Klimaatimpactonderzoek (PIK), gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, toont voor het eerst aan dat de atmosfeer vocht over langere perioden kan opslaan, wat een fysiek geheugeneffect creëert. Dit stelt moessonsystemen in staat om tussen twee stabiele toestanden te schakelen. Het verstoren van dit delicate evenwicht zou ernstige gevolgen hebben voor miljarden mensen in India, Indonesië, Brazilië en China.

“De atmosfeer kan haar vorige staat ‘onthouden’ door fysieke informatie in de vorm van waterdamp op te slaan,” legt Anja Katzenberger, onderzoeker bij PIK en auteur van de studie, uit. “In praktische termen betekent dit dat, hoewel de zonne-energie met de seizoenen toeneemt of afneemt, de atmosfeer niet altijd onmiddellijk reageert. Tijdens de lente accumuleert waterdamp zich over dagen en weken. Dit reservoir bepaalt de start van de moessonneerslag in het vroege zomer en houdt deze gaande, zelfs als de zonne-instraling in de herfst begint af te nemen.”

Padafhankelijkheid in de atmosfeer: Hoe de moesson ‘herinnert’

Door waarnemingsdata uit India, China en andere moessonregio’s te combineren met atmosferische simulaties, toont het onderzoeksteam aan dat de staat van de atmosfeer afhangt van zijn seizoenshistorie: als het al regent, blijft de regen aanhouden. Maar als het droog is geweest, is het moeilijk om neerslag op gang te brengen.

In de lente is de atmosfeer typisch droog en moet deze “opgevuld” worden met waterdamp voordat de moesson kan beginnen. Daarentegen blijft de post-moesson atmosfeer in de herfst vochtig en ondersteunt deze nog steeds neerslag, zelfs als de zonne-energie verzwakt.

“Dit gedrag noemen we bistabiliteit,” zegt Katzenberger. “Bij hetzelfde niveau van zonne-energie kan de atmosfeer ofwel droog ofwel regenachtig zijn, afhankelijk van de voorafgaande staat.”

“We wisten al lang dat systemen zoals de oceaan of de enorme ijskappen een soort geheugen hebben. Maar de atmosfeer? Dat werd als onmogelijk beschouwd,” voegt medeauteur Anders Levermann toe, die het departement van Complexiteitswetenschap bij PIK leidt. “Dit geheugeneffect leidt tot een schakelachtig gedrag in de moessonneerslag, een seizoensgebonden omschakeling van ‘uit’ naar ‘aan’ en weer terug. En cruciaal is dat het niet geleidelijk gebeurt—het is abrupt, plotseling.”

Dergelijke abrupte verschuivingen zijn kenmerkend voor andere kantelpunten in het klimaatsysteem, maar de moesson is bijzonder, zegt Levermann. “Wat bijzonder opmerkelijk is, is dat de moesson elk jaar zijn kantelpunt overschrijdt en dan terugkeert. Dit zou ons in de toekomst in staat kunnen stellen om het kantelpunt daadwerkelijk te identificeren met waarnemingsdata en een vroegtijdig waarschuwingssysteem te ontwikkelen.”

Een combinatie van observatie, theorie en simulatie

Om het mechanisme achter dit bistabiele gedrag te ontrafelen, gebruikte het team zowel gegevens uit de echte wereld als simulaties met een hoog-resolutie atmosferisch algemeen circulatiemodel ontwikkeld aan de Princeton Universiteit.

In een geïdealiseerde “Moesson Planeet” opzet, isoleerden ze de atmosfeer van langzamere componenten van het aardse systeem, zoals de oceanen. De simulaties toonden aan dat moessonneerslag kan overschakelen tussen een droge en natte staat zonder de thermische traagheid van de oceaan. Sleutel tot dit gedrag is de vorming van een robuuste kolom van atmosferisch vocht die neerslag over weken stabiliseert.

Het centrale kantelpunt in dit systeem kan duidelijk worden geïdentificeerd als een drempel, legt Katzenberger uit. “Wanneer de atmosferische waterdamp ongeveer 35 kilogram per vierkante meter overschrijdt, schakelt de moesson in. Als het daaronder valt, schakelt het uit. Deze abrupte, drempelgebaseerde reactie definieert de bistabiliteit.”

Als deze dynamiek verstoord zou worden, bijvoorbeeld door vervuiling of opwarming van de aarde, kunnen we voor grote uitdagingen komen te staan, concludeert Levermann. “Dit zou dramatische gevolgen hebben voor miljarden mensen in regio’s als India, Indonesië, Brazilië en China, die afhankelijk zijn van moessonneerslag voor hun levensonderhoud—het zou niet alleen ons klimaatsysteem verstoren, maar ook onze samenlevingen wereldwijd.”