EMBRACER stands for Earth systeM feedBack ReseArch CEntRe, a consortium of Utrecht University, the Royal Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ), Vrije Universiteit Amsterdam, Radboud University Nijmegen and Wageningen University & Research. "In the short term, until the middle of this century, we have a good picture of how climate change is taking place," says Appy Sluijs, professor of Paleoceanography at Utrecht University. "But important feedback mechanisms work slowly and their full impact will only become visible in the coming decades to centuries. Even with rigorous climate action, they will determine Earth's climate well beyond 2100. So far, however, we lack the scientific understanding to anticipate their impact. So with EMBRACER, we are really taking the next step."

Bridging the gap

Within EMBRACER, 23 top Dutch researchers from a very wide range of climate sciences will collaborate: from earth scientists and geochemists to oceanographers, climatologists, polar researchers, hydrologists and ecologists. Thanks to this interdisciplinary approach and connecting research methods and time scales, EMBRACER bridges the gap between predicting short-term and long-term climate change. That such a thing is needed is shown by the fact that even the best future projections still take little account of feedback mechanisms, which are of great importance on time scales of decades to millennia. "But those future projections are the basis of climate policy," warns Sluijs. "Which means we may now be vastly underestimating sea level rise or warming in the second half of this century."

CO₂ in the oceans

Gert-Jan Reichart, professor of marine geology affiliated with both NIOZ and Utrecht University, will focus within the project on the interaction between oceans and atmosphere, and how it will affect the uptake of CO₂ in the ocean in the near future. "If we look in geological history, under normal conditions the ocean is the all-important factor for CO₂. The atmosphere is a slave to the ocean, so to speak. But for the first time in millions of years, humans have reversed those roles: due to our emissions of CO₂, the atmosphere now determines what happens in the ocean. This is undoubtedly going to have far-reaching consequences for the natural carbon cycle and thus for the evolution of atmospheric CO₂ in the time to come."

Thawing permafrost

Earth scientist Jorien Vonk of VU University Amsterdam will focus on the feedback mechanisms of warming permafrost. This frozen ground contains about twice as much carbon as is currently in the atmosphere in the form of CO₂. Enhanced thawing due to global climate warming causes this carbon to break down and produce CO₂ or methane (CH₄). "Our knowledge of the vast polar region is increasing, and fortunately the function of permafrost in the global balance of system Earth is increasingly named and recognised. However, CO₂ emissions that occur as a result of thaw are extremely difficult to predict because local and regional variability is enormous," Vonk says. "I think that with the EMBRACER climate thaw team, together with the many international colleagues we work with, we can take an important step and better estimate how much this feedback will affect our emission reductions."

The future of tropical forests

Within EMBRACER, research at Wageningen University & Research (WUR) focuses on the fate of tropical forests. These are threatened by climate change and deforestation, even down to surrounding peatlands such as the Pantanal in the Amazon. Higher temperatures and longer droughts make trees vulnerable and drain the peatlands. "We thus run the risk that tropical forests will start emitting net CO₂ and thus exacerbate climate change, whereas until now they did just the opposite," said Wouter Peters, professor of carbon cycle at WUR. An increase in the number of forest fires, WUR professor Guido van der Werf's field, may also play an important role in this. Together with other researchers within the consortium, they will measure CO₂ fluxes in the atmosphere, forests and rivers to investigate the risk of many tropical forests disappearing, and to better understand what feedbacks on our climate this ultimately creates.

Increased methane emissions

Biogeochemist Prof Dr Caroline Slomp's (Radboud University Nijmegen) contribution to EMBRACER consists of research into emissions of the greenhouse gas methane (CH₄). "Globally, the emission of methane from lakes and coastal waters to the atmosphere is increasing. Methane is a much stronger greenhouse gas than CO₂ so this is a really big problem. We know that eutrophication plays a role: fertilisers from fields often leak into surface waters and cause a strong growth of all kinds of organisms there. When those organisms die and rot, you often get CH₄. We want to investigate under what conditions that CH₄ is formed and escapes to the atmosphere. Then we can also devise measures to reduce those emissions in the future."

Ice and ocean dynamics

Oceanographer Dr Anna von der Heydt of Utrecht University is investigating how the feedbacks play out for ice and ocean dynamics and their interactions with the carbon cycle. The polar ice sheets and the Gulf Stream are both cited as potential tipping elements, which could undergo abrupt transitions with global consequences. Although much is still unknown about these individual systems, their thresholds and dynamics, many of the feedbacks operate at the interface between these large-scale climate components. This means that ocean circulation and ice sheet dynamics are closely linked, including through their impact on the carbon cycle. Based on recent observations and past climate records, Von der Heydt and her colleagues aim to study and improve next-generation climate models for future long-term projections.

The geological past as a blueprint

Sluijs' contribution to EMBRACER consists of investigating climate changes in the geological past. "If feedback mechanisms are important in the future then they were also important in the past," he says. The reconstructions of climate change based on sediments once deposited on the seabed show that too. After the last ice age, permafrost melted in the Netherlands and 56 million years ago, a chain reaction of feedbacks caused a lot of CO2 and methane emissions. Our challenge now is to make the reconstructions so good that we find out why such feedback mechanisms became active, how strong they were and what influence they had on the climate. Combined with today's knowledge, that will provide predictive value for the future."

30 miljoen voor onderzoek naar versnelling klimaatverandering

De klimaatverandering kan versnellen door terugkoppelingsmechanismen: complexe fenomenen die worden veroorzaakt door klimaatverandering en die op hun beurt de klimaatverandering verder kunnen aanjagen. Een voorbeeld is de extra CO₂-uitstoot van ontdooiende permafrost. Onderzoek naar de invloed van terugkoppelingsmechanismen op de lange termijn vindt al langer plaats, onderzoek naar de moderne klimaatverandering uiteraard ook, maar de koppeling tussen beide is tot nu toe onderbelicht. EMBRACER, een wereldwijd uniek centrum met vooraanstaande klimaatexperts, gaat daarin verandering aanbrengen met een 10-jaar durend onderzoeksproject van 30 miljoen euro, gefinancierd door NWO. “Dit is echt de volgende stap in het klimaatonderzoek.”

EMBRACER staat voor Earth systeM feedBack ReseArch CEntRe, een consortium van de Universiteit Utrecht, het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), de Vrije Universiteit Amsterdam, de Radboud Universiteit Nijmegen en Wageningen University & Research. “Op de korte termijn, tot halverwege deze eeuw, hebben we goed in beeld hoe de klimaatverandering zich voltrekt”, vertelt Appy Sluijs, hoogleraar Paleoceanografie aan de Universiteit Utrecht. “Maar belangrijke terugkoppelingsmechanismen werken langzaam en hun volledige impact zal pas in de komende decennia tot eeuwen zichtbaar worden. Zelfs met rigoureuze klimaatmaatregelen zullen ze het klimaat op aarde tot ver na 2100 bepalen. Het ontbreekt ons tot nu toe echter aan wetenschappelijk inzicht om te anticiperen op de impact ervan. Met EMBRACER zetten we dus echt de volgende stap.”

Kloof overbruggen

Binnen EMBRACER werken 23 Nederlandse toponderzoekers uit een zeer breed palet aan klimaatwetenschappen: van aardwetenschappers en geochemici tot aan oceanografen, klimatologen, poolonderzoekers, hydrologen en ecologen. Dankzij deze interdisciplinaire benadering en het verbinden van onderzoeksmethoden en tijdschalen, overbrugt EMBRACER de kloof tussen het voorspellen van kortetermijn- en langetermijnklimaatverandering. Dat zoiets nodig is blijkt wel uit het feit dat zelfs in de beste toekomstprojecties nog weinig rekening is gehouden met terugkoppelingsmechanismen die op tijdschalen van decennia tot millennia van groot belang zijn. “Maar die toekomstprojecties zijn wel de basis van klimaatbeleid”, waarschuwt Sluijs. “Waardoor we nu de zeespiegelstijging of opwarming in de tweede helft van deze eeuw misschien wel enorm onderschatten.”

Ontdooiende permafrost

Aardwetenschapper Jorien Vonk van de Vrije Universiteit Amsterdam zal zich richten op de terugkoppelingsmechanismen van opwarmende permafrost. Deze bevroren grond bevat ongeveer twee keer zoveel koolstof als zich nu in de atmosfeer bevindt in de vorm van CO₂. Versterkte dooi als gevolg van mondiale klimaatopwarming zorgt voor afbraak van deze koolstof en productie van CO₂ of methaan (CH₄). “Onze kennis van het uitgestrekte poolgebied neemt toe, en gelukkig wordt de functie van permafrost in het mondiale evenwicht van systeem Aarde steeds vaker benoemd en erkend. Echter, de CO₂-emissies die optreden als gevolg van dooi zijn extreem lastig te voorspellen omdat de lokale en regionale variabiliteit enorm is,” vertelt Vonk. “Ik denk dat we met het EMBRACER klimaat-dreamteam, samen met de vele internationale collega’s waar wij mee samenwerken, wel een belangrijke stap kunnen zetten en beter kunnen inschatten hoeveel deze terugkoppeling onze emissiereducties zal beïnvloeden.”

De toekomst van tropische bossen

Binnen EMBRACER richt het onderzoek bij Wageningen University & Research (WUR) zich op het lot van tropische bossen. Deze worden bedreigd door klimaatverandering en ontbossing, zelfs tot in de omliggende veengebieden zoals de Pantanal in de Amazone. Hogere temperaturen en langere droogtes maken bomen kwetsbaar en leggen de veengronden droog. “We lopen daarmee het risico dat tropische bossen netto CO₂ gaan uitstoten en zo klimaatverandering verergeren, terwijl ze tot nu toe juist het omgekeerde deden”, aldus Wouter Peters, hoogleraar koolstofkringloop aan de WUR. Ook een toename van het aantal bosbranden, het vakgebied van WUR-hoogleraar Guido van der Werf, kan hierin een belangrijke rol spelen. Samen met andere onderzoekers binnen het consortium gaan ze de CO₂-stromen in de atmosfeer, bossen en rivieren meten om te onderzoeken wat het risico is dat veel tropisch bos verdwijnt, en om beter te begrijpen wat voor terugkoppelingen op ons klimaat hierdoor uiteindelijk ontstaan.

Toegenomen methaanemissies

De bijdrage van biogeochemicus prof. dr. Caroline Slomp (Radboud Universiteit Nijmegen) aan EMBRACER bestaat uit onderzoek naar emissies van het broeikasgas methaan (CH₄). “Wereldwijd neemt de uitstoot van methaan uit meren en kustwateren naar de atmosfeer steeds verder toe. Methaan is een veel sterker broeikasgas dan CO₂ dus dat is echt een groot probleem. We weten dat eutrofiëring een rol speelt: meststoffen van akkers lekken vaak weg naar oppervlaktewateren en zorgen daar voor een sterke groei van allerlei organismen. Als die organismen afsterven en gaan rotten krijg je vaak CH₄. Wij willen onderzoeken onder welke omstandigheden dat CH₄ ontstaat en ontsnapt naar de atmosfeer. Dan kunnen we ook maatregelen bedenken om die emissies in de toekomst te beperken.”

CO₂ in de oceanen

Gert-Jan Reichart, hoogleraar marine geologie verbonden aan zowel het NIOZ als de Universiteit Utrecht, gaat zich binnen het project richten op de wisselwerking tussen oceanen en atmosfeer, en hoe deze de komende tijd de opname van CO₂ in de oceaan zal beïnvloeden. “Als we in de geologische geschiedenis kijken, dan is onder normale omstandigheden de oceaan de allesbepalende factor voor CO₂. De atmosfeer is een slaaf van de oceaan, zogezegd. Maar voor het eerst in miljoenen jaren heeft de mens die rollen omgedraaid: door onze uitstoot aan CO₂ bepaalt nu de atmosfeer wat er in de oceaan gebeurt. Dit gaat ongetwijfeld vergaande gevolgen hebben voor de natuurlijke koolstofkringloop en daarmee voor de ontwikkeling van de atmosferische CO₂ de komende tijd.”

IJs- en oceaandynamiek

Oceanograaf dr. Anna von der Heydt van de Universiteit Utrecht onderzoekt hoe de terugkoppelingen uitpakken voor ijs- en oceaandynamiek en hun interacties met de koolstofcyclus. De poolijskappen en de Golfstroom worden beide genoemd als potentiële kantelelementen, die abrupte overgangen kunnen ondergaan met wereldwijde gevolgen. Hoewel er nog veel onbekend is over deze individuele systemen, hun drempels en dynamiek, werken veel van de terugkoppelingen op het grensvlak tussen deze grootschalige klimaatcomponenten. Dit betekent dat de oceaancirculatie en de dynamiek van de ijskap nauw met elkaar verbonden zijn, ook via hun impact op de koolstofcyclus. Op basis van recente waarnemingen en klimaatrecords uit het verleden willen Von der Heydt en haar collega’s de volgende generatie klimaatmodellen bestuderen en verbeteren voor toekomstige projecties op lange termijn.

Het geologische verleden als blauwdruk

Sluijs’ bijdrage aan EMBRACER bestaat uit onderzoek naar klimaatveranderingen in het geologische verleden. “Als de terugkoppelingsmechanismen belangrijk zijn in de toekomst dan waren ze ook belangrijk in het verleden. De reconstructies van klimaatveranderingen op basis van sedimenten die ooit op de zeebodem zijn afgezet laten dat ook zien. Na de laatste ijstijd smolt de permafrost in Nederland en 56 miljoen jaar geleden zorgde een kettingreactie van terugkoppelingen voor heel veel uitstoot van CO₂ en methaan. Onze uitdaging is nu om de reconstructies zo goed te maken dat we erachter komen waarom zulke terugkoppelingsmechanismen actief werden, hoe sterk ze waren en welke invloed ze op het klimaat hadden. Gecombineerd met de kennis van nu levert dat voorspellende waarde op voor de toekomst.”

SUMMIT beurzen

Het EMBRACER project is één van de vijf samenwerkingen die ondersteund worden binnen het prestigieuze SUMMIT programma van NWO. De SUMMIT beurs erkent samenwerking van