Je leest:

Oceanen en klimaat

Oceanen en klimaat

Auteurs: en | 10 april 2004

Er bestaat geen twijfel over dat de oceaan een grote invloed heeft op het klimaat. Wereldwijde diepe stromingen in de oceanen kunnen enorme hoeveelheden warmte absorberen en opslaan en verzorgen het levensnoodzakelijke warmtetransport van de evenaar naar de polen. Schommelingen in dit systeem van stromingen veroorzaken belangrijke klimaatsveranderingen.

Door de bosbranden in Indonesië en enorme wervelstormen op het Amerikaanse continent is el niño een veelbesproken fenomeen geworden. De el niño van 1997 is dan ook de krachtigste ooit waargenomen. Dit klimaatverschijsel met verstrekkende gevolgen is het resultaat van de voortdurende wisselwerking van oceaan en atmosfeer.

Verenigde Staten: stormen en overstromingen, 160 doden; Ecuador en Noord-Peru: overstromingen, 600 doden; Indonesië: extreme droogte, 340 doden. Dit zijn maar enkele voorbeelden van de rampzalige gevolgen van de vorige krachtige el niño, die van 1982-1983. In totaal vielen er meer dan tweeduizend doden door natuurrampen. Wat de el niño van 1997 ons heeft gebracht is nog niet duidelijk, maar het staat wel vast dat hij het weer in grote delen van de wereld in de war heeft gestuurd.

El niño

De tekening toont sterkte en richting van de passaatwinden, ligging van het regengebied, hoogte van zeeniveau en thermocline in normale omstandigheden en tijdens een el niño.

El niño (het kerstkind), door de Peruaanse vissers zo genoemd omdat het verschijnsel rond kerstmis optreedt, is het gevolg van abnormaal zwakke passaatwinden boven de Stille Oceaan. Zij kunnen het warme water niet langer in de richting van Indonesië drijven, waardoor het water in de centrale en oostelijke Stille Oceaan ter hoogte van de evenaar tot meer dan vijf graden warmer kan worden. De abnormale oceaantemperaturen hebben een enorm effect op de neerslag. Het grote regengebied over Indonesië en de westelijke Stille Oceaan verhuist met het warme water naar het oosten. Het gevolg is overvloedige neerslag in Peru en droogte van Indonesië tot in India, waar de rijstoogst grote schade lijdt.

Maar niet alleen de atmosfeer reageert. Ook in de oceaan vinden allerlei processen plaats. Dit is goed te zien aan de hoogte van het zeeniveau. Onder normale omstandigheden stuwt de passaat het water op, zodat het zeeniveau hoger is bij Indonesië en lager bij de Galapagoseilanden en voor de kust van Peru. Tijdens een el niño daalt het zeeniveau bij Indonesië. Er is ook een verandering in de positie van de thermocline. Deze dunne overgangslaag waar de temperatuur scherp daalt, ligt gemiddeld op 100 m diepte. Tijdens een el niño komt de thermocline bij Indonesië zo’n 75 meter hoger te liggen. Als de passaatwinden wegvallen, ontstaan in de thermocline lange golven die duidelijk te zien zijn in radarhoogtemetingen vanuit satellieten. Uiteindelijk veroorzaken deze golven een tegenwerkende kracht die zorgt voor herstel van de evenwichtssituatie en het einde van de el niño inluidt.

Iedereen die het nieuws de laatste tijd een beetje heeft gevolgd, weet dat de invloed van een sterke el niño zich tot ver buiten het evenaarsgebied uitstrekt. Door koppeling via de atmosfeer zijn er duidelijke effecten waarneembaar in de gematigde klimaatgordels. De abnormale zeewatertemperaturen hebben namelijk invloed op de windpatronen en kunnen zelfs de straalstroom op een hoogte van zes tot tien kilometer verplaatsen. Hoge- en lagedrukgebieden in subtropische en gematigde gebieden worden daardoor anders gestuurd. Dat leidt bijvoorbeeld tot sterk afwijkende wintercondities, ook in gebieden die ver van de Stille Oceaan liggen.

Wisselwerking

El niño is een goede illustratie van de krachtige wisselwerking tussen oceaan en atmos-feer: de oceaan versterkt een verandering in de atmosfeer en dat doet op zijn beurt de reactie in de oceaan weer toenemen. In dit subtiel samenspel is de oceaan de trage component. Op kortere tijdschalen, zoals bijvoorbeeld in ons dagelijkse wisselvallige weer, is de rol van de oceaan minder actief. Zo voelen we wel de matigende invloed van de relatief koude zee als de wind daar ’s zomers vandaan waait, maar de afwisseling van hoge en lage druksystemen die over ons heen lopen is vooral een gevolg van het instabiel en chaotisch karakter van de circulatie van de luchtlagen.

Golfstroom

Naarmate de tijdschaal van klimaatvariaties toeneemt, speelt de oceaan daarin een steeds actievere rol. Over het klimaat in West-Europa weten we dat een warme aftakking van de Golfstroom (in de Atlantische Oceaan) daarop een dominante invloed heeft. Dat komt door de grote thermische traagheid van de oceanen. Ze kunnen zonne-energie effectief absorberen en een grote hoeveelheid warmte opslaan. De warmte die de Golfstroom in tropische en subtropische gebieden heeft opgenomen is nog niet allemaal afgestaan aan de atmosfeer wanneer zijn Noordatlantische aftakking onze regio bereikt. Dat energie-overschot wordt tot ver in de Noorse wateren getransporteerd en blijft de atmosfeer voortdurend van waterdamp en warmte voorzien. Een verandering in de sterkte of ligging van dit Golfstroomsysteem is bij ons direct duidelijk merkbaar.

Een voorbeeld daarvan is de Kleine IJstijd, die zijn hoogtepunt kende in de 17e eeuw. Het noordelijke deel van de Atlantische Oceaan was tijdens die periode enkele graden kouder en ook de temperatuur boven Europa was gemiddeld zo’n één à twee graden lager. Meer zuidelijk was de subtropische oceaan toen een paar graden warmer. De Golfstroomaftakking naar het noordwesten was in die periode blijkbaar verzwakt ten gunste van de hoofdtak die naar het zuidoosten loopt en daar zijn overschot aan warmte afgeeft. De Golfstroom is voor ons de meest bekende oceaanstroming. Deze stroming is een hoofdzakelijk horizontale beweging van zeewater die vooral in de bovenste vijfhonderd tot duizend meter van de oceaan plaatsvindt. Oceaanstromingen zoals de Golfstroom, ontstaan door de wind boven het wateroppervlak. De stromingspatronen in de oceanen zijn dan ook een afspiegeling van de heersende windpatronen. De zwaarste stromingen – Golfstroom, Agulhas (Zuid-Afrika), Kuro-Shio (Stille Oceaan), Braziliëstroom en Oost-Australiëstroom – transporteren allemaal grote hoeveelheden warmte van de evenaar naar de polen. Van het totale warmtetransport, essentieel voor de leefbaarheid op aarde, neemt de oceaan ongeveer de helft voor zijn rekening. De andere helft loopt door de atmosfeer.

Intermezzo

Oceaanstromingen

Oceaanstromingen

De oceaanstromingen zijn in eerste instantie een afspiegeling van de heersende windpatronen. Er bestaan ook sterke overeenkomsten tussen de circulatiepatronen in de verschillende oceanen. In de noordelijke oceanen komt een circulatie voor die met de wijzers van de klok meeloopt, op het zuidelijk halfrond loopt ze tegen de wijzers van de klok in. De afwisselende gordels van westenwinden en oostenwinden werken samen op het oceaanoppervlak. Dit levert circulatiecellen op in de oceaan die in dezelfde richting draaien als het windkoppel. Net als de winden ondervinden oceaanstromingen bovendien een invloed van de aardrotatie. Essentieel voor het bestaan van de zeer geconcentreerde Golfstroom is het feit dat die invloed veel sterker is in polaire gebieden dan in de buurt van de evenaar.

Modelstudies

Nadat de zware Golfstroom bij Cape Hatteras (North-Carolina) de oostkust van de Verenigde Staten heeft verlaten en niet langer steun vindt bij het continent, wordt hij instabiel. Als een rivier in open zee gaat hij sterk meanderen. Vaak groeien die meanders zo ver door dat de stroom zichzelf als het ware kortsluit en gesloten cirkelvormige wervels afsnoert met een doorsnede van vijftig tot honderd kilometer. Door de uitwisseling van warme en koude wervels vindt een deel van het poolwaartse warmtetransport door de oceaan plaats.

De enorme ontwikkeling van supercomputerkracht over het afgelopen decennium heeft het mogelijk gemaakt om al deze wervelprocessen tamelijk realistisch in modellen te simuleren. Daaruit is nu gebleken dat de stroming ook op grotere diepte wordt aangedreven. Het transport van de Golfstroom, en dat van vergelijkbare stromingen in de wereldzeeën, is namelijk veel groter dan wetenschappers hadden verwacht op basis van de wind als enige drijvende kracht. Met behulp van radarhoogtemetingen vanuit satellieten konden ze onlangs deze extra transporten op waarde schatten.

Uit theoretische en modelstudies is verder naar voren gekomen, dat aangedreven door eenzelfde wind, meerdere evenwichtstoestanden voor verloop en sterkte van de Golfstroom kunnen bestaan en dat daarin ook grootschalige schommelingen kunnen optreden. Dergelijke schommelingen kunnen een tijdschaal van decennia hebben en gaan gepaard met veranderingen van het oceanische warmtetransport.

Ingewikkeld

Kunnen we langdurige variaties in ons klimaat uitsluitend aan dergelijke oceaanfluctuaties toeschrijven? Dat is waarschijnlijk een beetje te eenvoudig. Welbekend zijn de hoge en lage druksystemen die langsrazen. Daarnaast hebben modelsimulaties aangetoond dat ook de atmosfeer zelf variaties kan hebben op tijdschalen van jaren tot decennia. Om echt grip op het probleem te krijgen moeten klimatologen daarom de stabiliteit en variabiliteit van het gekoppelde oceaan-atmosfeersysteem beschouwen.

De atmosfeer zal een verandering van de Golfstroom van de ene in een andere stabiele toestand direct voelen aan de meeveranderende temperaturen van het zeeoppervlak. Daardoor zal het windveld zich aanpassen en daarmee dus ook de invloed van de wind op het Golfstroomsysteem. Daarmee zijn nog niet alle vragen opgelost. Versterken of verzwakken dergelijke koppelingen tussen atmosferische en oceanische variaties elkaar? Zijn er nieuwe, onverwachte evenwichtstoestanden van het gekoppelde systeem, misschien met gekoppelde schommelingen op meerjarige of nog langere tijdschalen? Dat alles vormt momenteel een zeer actief onderzoeksgebied, ook in Nederland.

Diepzee-onderzoek

Koud tegen warm: In het poolgebied neemt het zoutgehalte van het water – door uitvriezing – sterk toe. Het water wordt zwaarder en zinkt naar de bodem. Dit vormt meteen de motor van een wereldwijde transportband, de Ocean Conveyor Belt.

Kritieke schakel: Deze infraroodopname toont het ‘Agulhaslek’ aan de zuidpunt van Afrika. Alhoewel de vrije stroming door de aardrotatie terug naar de Indische Oceaan wordt gestuurd, kunnen grote, warme wervels worden afgesnoerd die in de Atlantische Oceaan doordringen. D. Olsen, O. Brown Miami

Tot zover is onze beschouwing over de rol van de oceaan in het klimaatsysteem letterlijk oppervlakkig en onvolledig. Het is noodzakelijk om ook wat meer in de diepte te gaan kijken. De belangstelling voor de diepzee groeide aanzienlijk in de vorige eeuw door een expeditie met het Britse schip Challenger. Deze expeditie was de eerste die speciaal was georganiseerd voor de studie van de oceanen. De Challenger zeilde rond de wereld van 1872 tot 1876. Men beschikte voor het eerst over geschikte instrumenten, in het bijzonder precieze thermometers, die de hoge drukken in de diepzee (tussen 1 en 10 kilometer diep) konden weerstaan. Eén van de belangrijke waarnemingen was dat overal in die diepzee, dus ook rond de evenaar, het oceaanwater zeer koud is. Dit bevestigde een oude theorie die de Duitse geoloog en ontdekkingsreiziger Alexander von Humboldt (1769-1859) al bijna een eeuw eerder had voorgesteld. Hij wees op het feit dat zout zeewater, in tegenstelling tot zoet water, zijn grootste soortelijk gewicht bereikt bij het vriespunt. In de polaire gebieden wordt het oceaanwater sterk afgekoeld terwijl door uitvriezing het zoutgehalte toeneemt. Door het dan grotere soortelijk gewicht zinkt dit water in sommige gebieden naar de bodem om zich vervolgens horizontaal over de hele oceaan te verspreiden. De hiermee samenhangende circulatie is de thermohaliene circulatie.

Zelfs na de Challengerexpeditie waren er nog lang aanhangers van het idee dat het koude water bij de evenaar fossiel was uit de laatste ijstijd. De ideeën van Von Humboldt werden definitief bevestigd door een latere expeditie met de Duitse Meteor. Deze expeditie, die zich speciaal richtte op de fysische oceanografie, vond plaats in de Atlantische Oceaan van 1925 tot 1927. Door die expeditie werden Von Humboldts ideeën niet alleen bevestigd, maar ook uitgebreid. De oceaan bleek opgebouwd te zijn uit een reeks lagen, ieder met een karakteristiek zoutgehalte en temperatuur en met een eigen oorsprongsgebied.

Vele expedities na die van de Meteor, waaronder de bekende Nederlandse Snelliusexpedities in en om de Indonesische wateren, zijn gericht op het verder invullen van de oceanische legpuzzel: het beschrijven van de dichtheidsstructuur van de wereldzeeën en het interpreteren daarvan in termen van de verspreiding vanuit oorsprongsgebieden. Onderzoekers ontdekten zo het bestaan van een thermohalien circulatiesysteem van mondiale omvang. De laatste jaren hebben de Amerikaanse oceanografen Arnold Gordon en Wallace Broecker van het Lamont Doherty Earth Observatory van Columbia University in New York dit beeld van de oceaancirculatie sterk gepopulariseerd en er de naam Ocean Conveyor Belt aan gegeven.

Globale oceaancirculatie

Diep onder het wateroppervlak bewegen de koude thermohaliene stromingen zich traag de hele wereld rond. Dit gebeurt met een snelheid van ongeveer één millimeter per seconde en het duurt zo’n duizend jaar om de cyclus te voltooien. Het gevolg is dat water uit de Middellandse Zee op 2200 meter diepte bij Bermuda of IJsland te vinden is en water uit de Rode Zee in de Indische Oceaan opduikt. Ondertussen stroomt water uit de Noord-Atlantische Oceaan na een reis van vijfhonderd jaar de Stille en Indische Oceaan binnen.

Het stilvallen of variëren van deze globale oceaancirculatie kan belangrijke klimaatsschommelingen teweegbrengen. Onderzoekers konden uit reconstructies aan de hand van onderzoek van ijskernen op Groenland aantonen dat het klimaat boven de gebieden rond de Noord-Atlantische Oceaan snel veranderde. Er kwamen temperatuursovergangen waarbij de gemiddelde temperatuur meer dan vijf graden veranderde in een periode van slechts enkele decennia. Dergelijke schommelingen zijn dus geen plaatselijk verschijnsel, maar wel subtiele interacties tussen de door de wind gedreven en thermohaliene oceaancirculatie enerzijds en de koppeling met de atmosfeer anderzijds.

Een kritieke schakel in het thermohaliene circuit is de verbinding tussen de Indische en de Atlantische Oceaan. Die komt op een heel bijzondere manier tot stand: aan de zuidpunt van Afrika loopt de Agulhasstroom langs het continent in zuidwestwaartse richting. Door de werking van de aardrotatie wordt die vrije stroming echter in een lus gestuurd, terug de Indische Oceaan in. Met wisselende frequentie, zo’n vier tot acht keer per jaar, snoert die stroming zeer grote warme wervels af, met diameters van ongeveer driehonderd kilometer. Deze trekken dan de Zuid-Atlantische oceaan in en verzorgen zo de verbinding. Als dit ‘Agulhaslek’ stilvalt of verandert, bijvoorbeeld door variaties in het windpatroon, dan kan dit de stabiliteit van de Atlantische Oceaan beïnvloeden en zodoende de stabiliteit en variabiliteit van de Ocean Conveyor Belt.

Klimaatvoorspelling

De el niño van 1997 was wel degelijk voorspeld. Het European Centre for Medium-range Weather Forecasts, een jointventure van de Europese meteorologische diensten, ontwikkelde een seizoenvoorspelsysteem, gebaseerd op een gekoppeld model van atmosfeer en oceaan. Jammer genoeg was de voorspelling niet verspreid omdat het om een proef ging. Het ECMWF zal in de toekomst zijn voorspelsysteem verder uitwerken. Ook de processen die het verschijnsel el niño veroorzaken en beëindigen zullen in detail bestudeerd worden.

Het klimaat- en oceaanonderzoek in Nederland en België zal zich de komende jaren richten op de oorzaken van de natuurlijke klimaatvariabiliteit in Europa. Hoe wordt deze beïnvloed door de oceaan, en wat veroorzaakt de veranderingen in de windgedreven en thermohaliene oceaancirculaties? En in hoeverre is het Europese klimaat te voorspellen? Nederland wil aan de internationale inspanningen op dit gebied bijdragen met zeegaand onderzoek naar de details van het transport van water van de Indische naar de Atlantische Oceaan, en met onderzoek naar mengprocessen aan de rand van de Noordatlantische continenten.

Wat dit allemaal gaat opleveren? In ieder geval een beter begrip van klimaatschommelingen, en waarschijnlijk ook wel bruikbare voorspellingen van el niño’s. Of we ooit Elfstedentochtwinters zullen kunnen voorspellen blijft de grote vraag. Het zou fantastisch zijn als dat zou lukken, maar de onderzoekers zullen al heel tevreden zijn als ze begrijpen waar de grenzen van de voorspelbaarheid liggen.

Intermezzo

De organisatie van het onderzoek

Onderzoek naar oceaan en klimaat is al lang geen kwestie meer van individuele onderzoekers. Het vereist kostbare metingen en grote computersimulaties. Bovendien is het probleem zo complex dat het alleen in een wereldwijde samenwerking kan worden opgelost. Die samenwerking wordt gecoördineerd door verschillende internationale wetenschappelijke instellingen. Een belangrijke rol speelt het World Climate Research Programme. Als een onderdeel van dat programma is van 1990 tot 1997 het World Ocean Circulation Experiment (WOCE) uitgevoerd. Dertig landen hebben daarvoor waarnemingen op zee verricht. Het WOCE is opgevolgd door het Climate Variability and Predictability Programme (CLIVAR). Dit is in 1997 gestart en heeft een verwachte looptijd van 15 jaar. Bij CLIVAR gaat het om de studie van het gekoppelde atmosfeer-oceaan-zeeijssysteem. Beter begrip en zo mogelijk voorspelling van natuurlijke en door de mensen veroorzaakte variaties staan hierbij centraal. Naast deze onderzoeksprogramma ’s wordt er ook gewerkt aan een Global Ocean Observing System (GOOS), in een programma dat routinemetingen van de oceaan moet organiseren ten behoeve van praktische toepassingen.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.