Kan wiskunde eerder waarschuwen voor het instorten van een oceaanstroom?
Je kent het gevoel: je merkt pas dat er iets mis is met een systeem als het al te laat is. Bij het klimaat willen wetenschappers dat juist voorkomen. Ze zoeken naar signalen die vroeg genoeg waarschuwen voordat een belangrijk onderdeel van het klimaatsysteem instort. Een nieuwe wiskundige studie laat zien dat dit lastiger is dan gedacht, maar ook dat het beter kan.
Het gaat om de AMOC, een grote oceaanstroom in de Atlantische Oceaan die warm water van de evenaar naar het noorden brengt. Deze stroom houdt West-Europa relatief warm. Wetenschappers maken zich zorgen dat de AMOC door klimaatverandering kan verzwakken of zelfs helemaal kan stoppen. Om zo'n omslag op tijd te zien aankomen, kijken onderzoekers naar zogeheten vroege-waarschuwingssignalen: kleine veranderingen in metingen die vooraf kunnen gaan aan een grote verandering.
Het probleem is dat je zo'n complex systeem als de AMOC meestal maar met één of een paar meetwaarden volgt, terwijl er achter de schermen veel meer gebeurt. Een onderzoeksteam ontwikkelde nu een wiskundig raamwerk dat blootlegt waarom dat problemen geeft. Eén simpele meetwaarde kan namelijk verschillende oorzaken verbergen: een systeem dat echt instabiel wordt, verborgen invloeden die niet direct zichtbaar zijn, of toevallige uitschieters die niets met een naderende instorting te maken hebben.
Om dit te testen, gebruikte het team een computersimulatie van het klimaat die 4400 jaar beslaat, gemaakt met het CESM-klimaatmodel. Hierin zagen ze dat één meetwaarde alleen (een zogeheten EOF1, een wiskundige samenvatting van het belangrijkste patroon in de data) wel een verandering in gevoeligheid van het systeem laat zien. Maar pas met een combinatie van twee van zulke patronen (EOF1 en EOF2 samen) werd zichtbaar dat het "geheugen" van het systeem, hoe het reageert en herstelt van verstoringen, ook echt was veranderd, zelfs na een periode van herstel.
Een opvallende bevinding: één van de wiskundige signalen die de onderzoekers ontwikkelden, een maat die ze F_ovS noemen, bereikte zijn laagste punt 26 jaar voordat de AMOC in de simulatie instortte. Een ander signaal, dat kijkt naar hoe dicht het systeem bij een instabiel punt zit, gaf in dezelfde periode geen duidelijk teken. De twee signalen meten dus blijkbaar verschillende dingen, en geen van beide vertelt het hele verhaal alleen.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit onderzoek is gebaseerd op één computersimulatie, niet op echte metingen van de huidige AMOC. De onderzoekers benadrukken zelf dat ze geen pasklaar, gevalideerd vroege-waarschuwingssysteem presenteren. Het is vooral een wiskundige verkenning die laat zien waarom bestaande signalen soms falen, en welke aanvullende signalen wellicht kunnen helpen. Of dit ook werkt bij de echte, huidige AMOC, moet nog blijken.
Voor de praktijk betekent dit dat wetenschappers die de AMOC in de gaten houden, voorzichtig moeten zijn met het vertrouwen op één enkel signaal. Meerdere, verschillende soorten metingen combineren geeft mogelijk een vollediger beeld van hoe dicht een systeem als de AMOC bij een omslagpunt zit. Dat kan op termijn helpen om eerder en betrouwbaarder te waarschuwen, al is er nog veel werk nodig voordat dit soort methodes op de werkelijke oceaan kunnen worden toegepast.