Tot twee millimeter per jaar. Aan dat tempo veert Zuid-Afrika op. Maar dat is geen gevolg van trage geologische processen. Het is een resultaat van klimaatverandering. Een team van de Universiteit van Bonn toonde aan dat droogte, zoals de extreme Day Zero-droogte in Kaapstad, een trigger is voor de opheffing van het aardoppervlak.
Beeld: De lege Gamkapoort Dam bij Prince Albert in West-Kaap, Zuid-Afrika. De droogte wordt veroorzaakt door het El Niño en intenser toeslaat door klimaatverandering. Credit: Shutterstock
Het landoppervlak van Zuid-Afrika steeg in totaal zes millimeter tussen 2012 en 2020. Aanvankelijk dacht men dat deze opheffing door diepe stromingen in de aardmantel werd veroorzaakt. Zulke processen spelen uiteraard een rol – in feite is platentektoniek de typische trigger voor opheffing, maar in tijden van global change waarin onze impact steeds groter wordt, mogen we andere factoren niet uitsluiten. Metingen worden bovendien ook steeds nauwkeuriger. Dat stelt ons in staat een dieper inzicht te krijgen in de oorzaken van opheffing over korte, menselijke tijdspannes. Daarom suggereerde men in Bonn dat de opwaartse beweging van de aardkorst wel eens een resultaat kon zijn van het verdwijnen of onttrekken van grond- en oppervlaktewater. Door dit nettoverlies aan water wordt de aardkorst lichter, en kan ze opveren, luidt de hypothese. We voelden Christian Mielke aan de tand, een Duitse geodesie-specialist en hoofdauteur van een studie in het Journal of Geophysical Research: Solid Earth: ‘We hebben bewijs dat de opheffing wel degelijk aan droogte en klimaattrends toegeschreven kan worden.’
Onontgonnen terrein
Het is opmerkelijk dat we in tijden van nijpende watertekorten nog niet volledig begrijpen hoe droogte de verticale bewegingen van de aardkorst beïnvloedt. ‘Zeker in laaggelegen gebieden zoals Vlaanderen en Nederland kunnen kleine bewegingen grote gevolgen hebben,’ zegt Mielke, ‘hoewel elke regio lokaal onderzocht moet worden aangezien geologische en geografische eigenschappen per gebied verschillen. Bij droogte en overexploitatie van watervoerende lagen kan zowel opheffing als bodemdaling optreden.’ Terwijl over dit laatste meer bekend is, wagen we ons bij opheffing door droogte op onontgonnen terrein. De opheffing is als het ware een elastische respons, een opveren, van de solide aarde – het harde, niet-levende deel van onze planeet. Enkel over de zuidwestelijke Verenigde Staten, waar extreme droogte een veelvoorkomende gesel is, bestaan er studies die verbanden aantonen tussen opheffing en klimaat. Tijdens de droogtegolf van 2011 tot 2015 steeg de Sierra Nevada 24 millimeter, als respons op een verlies van een laag van zeventien millimeter water over een groot gebied. In Zuid-Afrika zien we nu hetzelfde fenomeen.
Aardplaten opvolgen op millimeterniveau
De steeds hogere resoluties van meetinstrumenten staan toe de bewegingen van de aardkorst op millimeterniveau te bekijken. De totale opheffing is weliswaar een som van verschillende mechanismen. Het team in Bonn slaagde erin om via complexe geodetische berekeningen het signaal gelinkt aan droogte te isoleren en bepaalde trends te detecteren.
‘We hebben bewijs dat de opheffing wel degelijk aan droogte en klimaattrends toegeschreven kan worden’
Mielke en zijn collega’s maakten daarvoor gebruik van het Zuid-Afrikaanse netwerk aan grondstations, TrigNet, dat in verbinding staat met het globale satellietsysteem (Global Navigation Satellite System, waartoe gps behoort). Zulke grondnetwerken zijn wereldwijd opgezet, die van België en Nederland bijvoorbeeld zijn zeer fijnmazig. Maar op het Afrikaanse continent waar grondstations schaarser zijn, leent Zuid-Afrika zich het best tot zo’n studie. Bovendien kent dit land weinig seismische activiteit, waardoor geologische ‘achtergrondruis’ beperkt is. Om die reden, en ook omdat Zuid-Afrika ten prooi viel aan extreme klimaatschommelingen, is dit land een goed proefkonijn om uit te vissen hoe droogte bijdraagt tot het opveren van het land.
Day Zero
Zuid-Afrika kreeg wel meer te maken met periodieke droogtes. Die worden vaak veroorzaakt door de ENSO, het El Niño/Zuidelijke Oscillatie-weersysteem dat ontstaat in de Stille Oceaan en intenser toeslaat door klimaatverandering. Een decennium geleden was het hek van de dam. Een extreme droogtegolf greep om zich heen in 2015 en trof zowel de landbouw als de waterbevoorrading van grote steden zoals Kaapstad, Johannesburg en Pretoria. Een zakkend waterpeil in de stuwmeren, in combinatie met een uit haar voegen barstende bevolking, leidde tot verschillende watercrises.
Het onheilspellende concept Day Zero ging vanaf 2017 als een lopend vuurtje rond. Day Zero is de dag waarop het waterpeil in de grote waterreservoirs nabij Kaapstad tot beneden dertien procent zou dalen, en de watertoevoer naar de huishoudens zou worden afgesloten. De bevolking zou dan in de lijn moeten staan voor een dagelijks rantsoen. Dankzij zware inperkingen werd Day Zero steeds uitgesteld. De watercrisis kon worden afgewend toen het eindelijk begon te regenen. Maar de hamvraag is: draagt de solide aarde de tekenen van deze droogtegolf? Het team uit Bonn onderzocht dit tot op het bot.
Verband tussen droogte- en hoogtedata?
Als eerste stap in hun methode haalden ze gegevens op van de exacte hoogteligging door de tijd heen van verschillende punten op het landoppervlak. Die punten zijn de grondstations van het TrigNet, dat sinds 2000 operatief is. Deze gps-data werden verder verwerkt om ze te ontdoen van ruis. Zo kregen ze al een eerste glimp te zien van wanneer er al dan niet opheffing optrad. Maar dat het land stijgt of daalt, bewijst op zich nog niets, aangezien we intussen weten dat ook andere geologische processen mogelijk een rol spelen.
Om de impact in een bredere context te plaatsen laten we hoogleraar platentektoniek Douwe van Hinsbergen en docent fysische geografie Wiebe Nijland aan het woord. Beiden werken aan Universiteit Utrecht en zijn niet bij het onderzoek betrokken. Van Hinsbergen benadrukt dat ‘we de grootschalige bewegingen van de tektonische platen niet wezenlijk kunnen veranderen, maar dat we bepaalde fenomenen wel kunnen uitlokken of versnellen. Voor de Sierra Nevada in de VS zien we dat de opheffing door droogte en wateronttrekking het spanningsveld rondom de San Andreasbreuk mogelijk licht wijzigt, een fenomeen dat ook al in Zuid-Spanje (Lorca) een aardbeving kan hebben uitgelokt. Dergelijke actieve breuken zijn echter in Zuid-Afrika niet bekend. Het lijkt er dus op dat de eventuele risico’s in Zuid-Afrika miniem zijn.’
Nijland bevestigt deze gedachte: ‘Omdat hier sprake is van een cyclische, elastische beweging, namelijk opheffing bij droogte en daling na herstel van de waterreserves, lijken er geen relevante effecten op lange termijn te zijn. De op- en neergaande bewegingen heffen elkaar op. Daarnaast zijn de gemeten hoogteverschillen zo gering dat er voor mens of natuur waarschijnlijk geen onmiddellijke gevolgen zijn.’
‘De boodschap van de onderzoekers,’ onderstreept Nijland, ‘is dat dit effect meetbaar en inzetbaar is om regionale en cumulatieve effecten van droogtes in beeld te brengen. Het heeft invloed op meetreeksen die veranderingen van terreinhoogtes illustreren. Dat deze effecten überhaupt bestaan is van groot belang, met name voor wetenschappers die de geodynamica van onze planeet bestuderen. Dit onderzoek, dat nog in kinderschoenen staat, kan leiden tot een beter begrip van de processen waaraan de aardkorst onderhevig is.’
Om een relatie aan te tonen met droogte en verlies van water moesten de gps-data vergeleken worden met klimaat- en neerslagdata. Daar was nog een tussenstapje voor nodig. De onderzoekers converteerden de hoogtedata naar een eenheid in millimeter die een maat is voor het gewicht van water: de total water storage. Om dat te doen, integreerden ze in hun model de zogenaamde reologische eigenschappen van de aardkorst – die beschrijven hoe gesteente vervormt onder invloed van een kracht (rhei is Grieks en betekent stromen, zoals in panta rhei). Om de resultaten te testen, werden dezelfde berekeningen nog eens overgedaan met andere datasets zoals die van de GRACE-missie (Gravity Recovery and Climate Experiment), om te zien of ook deze dezelfde trend oppikten. De correlatie was inderdaad behoorlijk, wat betekent dat de resultaten, een serie kaarten en tijdsreeksen, betrouwbaar zijn. Nu konden ze de resultaten naast de hydrologische data leggen. En de resultaten logen niet.
El Niño, droogte, opheffing
Een duidelijke rode lijn tekende zich af. Het stijgen en dalen van het aardoppervlak liep synchroon met respectievelijk droge (El Niño) en regenachtige (La Niña) periodes in Zuid-Afrika. Een uitschieter is te zien in 2006, toen het land daalde door het gewicht van water tijdens een frappante neerslagperiode, gelinkt aan een natte La Niña-periode. Ook tussen 2010 en 2012 bracht La Niña regen, en een dalende trend.
De Day Zero-droogte – deels te wijten aan El Niño – zorgde vanaf 2015 voor een stijging van het landoppervlak door het verdwijnen van water. Pas vanaf 2021 liet La Niña zich opnieuw voelen en daalde het landoppervlak. Over de algemene lijn is in heel Zuid-Afrika de trend stijgend sinds 2000, met een totaal van zes millimeter tussen 2012 en 2020. De grootste opheffing, tien millimeter, werd gemeten in de provincie Gauteng, waarin Johannesburg en Pretoria liggen, steden die immens veel water aan grote bassins onttrekken. Het interessante is dat al deze data omgerekend kunnen worden naar volumes water die ongemerkt verdwenen zijn. Zo ging in Gauteng 450 millimeter water in rook op.
Het komt erop neer dat ‘vervorming van de aardkorst sterk door de hydrologie wordt beïnvloed’ zegt Mielke. ‘In Zuid-Afrika toont onze gps-inversiemethode een sterke correlatie met droogte en zelfs met het verloop van de ENSO. Bovendien kan de methode ook elders gebruikt worden om waterreserves, of het gebrek daaraan, in kaart te brengen, bijvoorbeeld bij grote steden. Dat kan zolang er een vrij dicht netwerk aan grondstations beschikbaar is, wat niet overal het geval is. Tot nu toe kan alleen GRACE een overkoepelend beeld geven van wereldwijd waterverlies door droogte, maar de ruimtelijke resolutie daarvan is veel lager dan bij onze methode. In een ideaal scenario worden de verschillende technieken samen gebruikt om de rol van zowel diep grondwater als bodemvocht en oppervlaktewater in stuwmeren beter te begrijpen.’
Tegenwerkende krachten
Een aantal meer algemene vragen rijzen op nu we weten dat land kan stijgen door droogte. Maar ook het zeeniveau stijgt. We horen de klimaat- sceptici al denken: beide heffen elkaar op, probleem opgelost. Maar Mielke drukt ons op het hart dat ‘droogte nooit iets mag zijn waarop je moet hopen om aan het stijgend zeeniveau te ontsnappen’. Droogtes brengen andere problemen met zich mee, zoals verlies van oogsten, schade aan ecosystemen en schrijnende watertekorten. Opheffing door droogte is evenmin een proces dat eeuwig blijft voortduren. Op een zeker moment is er geen water meer en dan stopt ook de opheffing, terwijl de zee nog significant meer kan stijgen.’ Ter vergelijking, tijdens de warme krijtperiode stond het zeeniveau meer dan tweehonderd meter hoger dan nu.
En er bestaat nog een ander fenomeen gelinkt aan droogte, bodemdaling door inklinking van watervoerende lagen. Waaraan ligt deze schijnbare paradox, vroegen we aan Mielke, wat bepaalt of de bodem stijgt of daalt? ‘Beide zijn mogelijk, maar of de bodem stijgt of daalt ligt aan zogenaamde poro-elastische eigenschappen – een maat voor hoe ‘sterk’ de ondergrond is. Als water onttrokken wordt, verliezen de ondergrondse holtes (de poriën) hun steun, waardoor ze in meer of mindere mate inzakken. Het resultaat is een bodemdaling en verlies aan wateropslagcapaciteit, beide onomkeerbaar. Welk fenomeen dominant is, ligt aan de ondergrond, en hoe het water verspreid is over de diepere lagen, de bodem en het oppervlak. Met onze gps-methode tekenden we voor Zuid-Afrika een netto verticale beweging op, en die is over de algemene lijn stijgend. In dit geval konden we de opwaartse beweging van de solide aarde op een betrouwbare manier toeschrijven aan droogte. Maar elke regio heeft een op maat gemaakte aanpak nodig om verticale bewegingen aan bepaalde fenomenen te linken.’ Dat droogte vele gezichten heeft, staat als een paal boven water.
Opheffing van het landoppervlak is een normaal aardproces, een manifestatie van de diepe dynamiek van onze planeet. Maar het schrijdt aan een vreselijk traag tempo voort, onmerkbaar tijdens een mensenleven. In tektonisch actieve gebieden zoals een hooggebergte kan de opheffing echter meer dan tien millimeter per jaar bedragen, en in stabielere regio’s ver van plaatranden minder dan één millimeter per jaar. Zo werden in de Himalaya mariene lagen vol fossiele zeelelies tot acht kilometer boven zee opgetild door het botsen van twee platen – een opheffing om u tegen te zeggen. Maar ook verder van plaatranden en gebergteketens kan aanzienlijke opheffing optreden, door opwellend magma diep uit de aardmantel. Dat is de reden waarom sommige delen van Afrika opmerkelijk hoog zijn, heel het continent ‘drijft’ boven een diepe, hete warmte-anomalie. Zuid-Afrika in het bijzonder is een hoogplateau met steile kusten, deels gevormd door immense uitvloeiing van basalt.
Maar de door droogte getriggerde opheffing komt niet voort uit diepe warmte in het binnenste van de aarde. Een ander mechanisme is hier de drijfveer. Het is een vorm van wat men crustal rebound noemt, het elastisch opveren van de aardkorst. Door het wegnemen van een gewicht raakt het isostatische evenwicht van de aardkorst verstoord, waarna de korst opveert om dat evenwicht te herstellen. Je kan je dit fenomeen inbeelden als een luchtmatras op een zwembad. Rol je eraf, dan veert de luchtmatras omhoog. Met het aardoppervlak gebeurt dit ook, maar dan in slow motion. Meestal wordt dit fenomeen aangehaald in de context van ijskappen. Vandaag, reeds duizenden jaren na het verdwijnen van het pleistocene landijs, veert Noorwegen bijvoorbeeld nog steeds op. En nu wij mensen het wegsmelten van de ijskappen versnellen, nemen wetenschappers zowel op Groenland als IJsland een versneld opveren waar. Bij droogte zien we nu een gelijkaardige trend, al is die van een subtieler karakter.
