Kantelpunten door klimaatverandering: terug naar de tekentafel

Regelmatig klinkt de waarschuwing dat klimaatverandering kan leiden tot kantelpunten: onomkeerbare situaties waarbij bijvoorbeeld het omklappen van savanne naar woestijn, maar ook het stilvallen van de warme golfstroom, in een versnelling terechtkomt. Daarbij wordt vaak verwezen naar ruimtelijke patronen als voorbodes voor zulke kantelpunten. Een internationaal team van ecologen en wiskundigen onderzocht deze patronen en kwam tot een verrassende conclusie. “Ja, we moeten er alles aan doen om de klimaatverandering te stoppen.” Hiermee onderschrijven de auteurs volledig het IPCC rapport. ”Maar de aarde blijkt veerkrachtiger dan gedacht. Het concept van kantelpunten is te eenvoudig.” Hun onderzoek is nu gepubliceerd in het gezaghebbende tijdschrift Science.

Het artikel bouwt voort op een jarenlange samenwerking tussen diverse onderzoeksinstituten in binnen- en buitenland, vooral tussen de Universiteit Utrecht en de Universiteit Leiden. De onderzoekers benaderden het idee van kantelpunten vanuit een ruimtelijke context. “Ruimtelijke patroonvorming in ecosystemen, zoals de spontane vorming van complexe vegetatiepatronen, wordt vaak uitgelegd als vroegtijdig waarschuwingssignaal voor een kritieke overgang”, vertelt hoofdauteur Max Rietkerk, ecoloog verbonden aan de Universiteit Utrecht. “Maar zo’n patroonvorming blijkt er nu juist voor te zorgen dat ecosystemen kantelpunten kunnen omzeilen.” Deze bevindingen zijn gebaseerd op wiskundige analyses van ruimtelijke modellen en op nieuwe waarnemingen van echte ecosystemen.

Alan Turing

Spontaan optredende patronen in de natuur worden vaak Turingpatronen genoemd, naar de beroemde Britse wiskundige Alan Turing. In 1952 beschreef hij hoe patronen in de natuur, zoals strepen en vlekken op de vacht van dieren, zouden kunnen ontstaan uit een egale uitgangspositie. “Die Turingpatronen worden in de ecologie veelal uitgelegd als waarschuwingssignalen, omdat ze op een verstoring zouden wijzen”, verduidelijkt de Leidse wiskundige Arjen Doelman, mede-auteur van het artikel. “Turings mechanisme van patroonvorming staat nog steeds buiten kijf, maar het feit dát ergens patroonvorming optreedt, hoeft niet te betekenen dat daarmee een evenwicht is verstoord tot voorbij een kantelpunt.” Als voorbeeld van zo’n situatie wijst Rietkerk op de overgang tussen savanne en woestijn. “Daar zie je allerlei complexe ruimtelijke vormen. Een ruimtelijke reorganisatie dus, maar niet noodzakelijkerwijs kantelpunten. Integendeel, die Turingpatronen zijn daar juist een teken van veerkracht.”

(tekst loopt door onder afbeelding)

Spatial pattern formation of mussels and diatoms on a tidal flat.

Ruimtelijke patroonvorming door algen en mossels op een getijdenplaat. Door die patroonvorming kunnen kantelpunten door zeespiegelstijging worden omzeild, zodat getijdenplaten niet verdrinken. De ruimtelijke patronen op de getijdenplaat, inclusief de golfjes, zijn gebaseerd op wiskundige modelsimulaties. ©Johan van de Koppel / Ulco Glimmerveen (vogels).

Omzeilen van kantelpunten

De onderzoekers ontdekten een interessant fenomeen: multistabiliteit. Dit betekent dat veel verschillende ruimtelijke patronen gelijktijdig kunnen voorkomen onder dezelfde omstandigheden. Rietkerk: “Elk van deze patronen kan stabiel blijven onder een breed scala van omstandigheden en klimaatverandering. En het blijkt nu bovendien dat elk complex systeem dat groot genoeg is om ruimtelijke patronen te genereren mogelijk kantelpunten kan omzeilen.” De vraag zou dus moeten luiden: welke systemen zijn gevoelig voor een omslagpunt en welke niet? “Voor de exacte rol van kantelpunten moeten we dus terug naar de tekentafel”, aldus Rietkerk. “Pas dan kunnen we bepalen welke omstandigheden en ruimtelijke patronen leiden tot kantelpunten en welke niet.”

Artikel

Max Rietkerk, Robbin Bastiaansen, Swarnendu Banerjee, Johan van de Koppel, Mara Baudena en Arjen Doelman, ‘Evasion of tipping in complex systems through spatial pattern formation’, Science 374, eabj0359 (2021), https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj0359