De Grote Pomp

Nabij Groenland zakt afgekoeld, zwaar oceaanwater omlaag, het begin van een lange reis door de diepten van de oceanen. Dit wegzakken vormt onderdeel van de grootste pomp op aarde. Een kleine verstoring en het klimaat verandert radicaal.

Een snufje minder zout in de noordelijke wateren van de Atlantische Oceaan en het klimaat in onze streken zou een stuk koeler worden. Dat blijkt uit berekeningen aan atmosfeer-oceaanmodellen die verricht zijn op het Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg. Het ging hierbij om het "naspelen' van een klimaatsverandering die ongeveer 11.000 jaar geleden plaatsvond.

Toen, alweer enkele duizenden jaren na het hoogtepunt van de laatste ijstijd, breidde het landijs zich opeens nog één keer naar het zuiden uit. De oorzaak van die klimaatsverandering lag waarschijnlijk in smeltwater dat van Canada naar de noordelijke Atlantische Oceaan stroomde. Dit (zoete) water verlaagde het zoutgehalte en bracht daardoor een wereldomspannend stromingssysteem tot stilstand waar onze "centrale verwarming' mee samenhangt. Deze historische gebeurtenis laat zien dat het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan een belangrijke schakel is in het klimaatsysteem. Van hieruit kan de wereldoceaan, het trage "vliegwiel' in het klimaatsysteem, al door een betrekkelijk kleine verandering in een andere toestand worden gebracht.

Zoutrijk zeewater

In het noorden van de Atlantische Oceaan, in de buurt van IJsland, draait een enorme "pomp'. Uit het zuiden komend zoutrijk zeewater wordt hier door de koude lucht uit Canada en het Noordpoolgebied afgekoeld en krijgt daardoor zo'n grote dichtheid dat het tenslotte van het oppervlak naar de bodem van de oceaan zakt. Ongeveer 17 miljoen kubieke meter water per seconde, het twintigvoudige van het debiet van alle rivieren op aarde tezamen, verdwijnt op die manier naar de diepte.

Dit water blijft gedurende ruim tweeduizend jaar verborgen. Eerst worstelt het zich op een diepte van drie tot vier kilometer zuidwaarts over de equator naar Antarctica toe. Daar verenigt het zich met een nog machtiger stroom koud bodemwater, dat in oostelijke richting rond Antarctica stroomt en een debiet heeft van 130 miljoen kubieke meter per seconde: ongeveer duizend maal dat van de Amazone.

Ten zuiden van Afrika takt een deel van de dieptestroming zich af naar het noorden van de Indische Oceaan, waar het voor de kust van India opstijgt. Een ander deel buigt ten zuidoosten van Australië naar het noorden af en bestrijkt zo de bodem van de gehele Stille Oceaan tot bijna de Aleoeten.

Uiteindelijk stijgt het dieptewater omhoog en keert het onder het oppervlak terug, in een stroming die tot duizend meter diepte reikt. Eerst naar de equator, dan westwaarts tussen de Indonesische Archipel door naar de Indische Oceaan en van daaruit om de zuidpunt van Afrika heen noordwaarts door de Atlantische Oceaan. In de buurt van IJsland koelt het water opnieuw af en verdwijnt weer naar de diepte.

Vermenging

Zo'n vermenging van oppervlakte- en bodemwater gebeurt op slechts heel weinig plaatsen op aarde. Behalve in het noorden van de Atlantische Oceaan gebeurt het op grotere schaal alleen nog in de Weddellzee, aan de rand van Antarctica. In deze twee gebieden, die tezamen slechts ongeveer één procent van het totale zee-oppervlak bestrijken, wordt ongeveer 90 procent van het koude dieptewater gevormd dat over de oceaanbodem stroomt.

"Deze mengverhouding maakt dat de diepe oceaan als component van het klimaatsysteem zo bijzonder traag is', verklaart Ernst Maier-Reimer van het Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg. "Behalve via deze twee "vensters' merkt het bodemwater nauwelijks iets van wat zich boven het wateroppervlak in de atmosfeer afspeelt. Want bij het grootste deel van de oceaan wordt alleen de oppervlaktelaag, de bovenste 30 tot 50 meter, direct door wind en weer beroerd'.

Ook in de klimaatmodellen werd de oceaan tot voor kort op zo'n "oppervlakkige' manier behandeld. In de computermodellen werd hij ingevoerd als een slechts 50 meter diepe "waterplas', die zonder een eigen leven te leiden slechts te gehoorzamen had aan de grillen van de atmosfeer. Pas sinds enkele jaren kijkt men dieper in de oceaan en wordt deze bij de berekeningen als gelijkwaardig aan de atmosfeer beschouwd.

Voor deze moderne berekeningen zijn behalve snelle computers ook zogeheten gekoppelde klimaatmodellen nodig, waarin zowel de mondiale circulatie van de atmosfeer als die van de oceaan in drie dimensies wordt beschreven en berekend. Zulke berekeningen zijn de meest gecompliceerde en tijdrovende die de supercomputers momenteel krijgen voorgeschoteld.

Kooldioxyde

In Hamburg hebben onderzoekers van het Max-Planck-Institut für Meteorologie en van het Meteorologisch Instituut van de universiteit gezamenlijk zo'n gekoppeld model ontwikkeld en daarmee de ontwikkeling van het klimaat in de komende honderd jaar doorgerekend. Voor wat betreft de emissie van kooldioxyde ging men uit van verschillende scenario's.

In het gekoppelde klimaatmodel blijkt de oceaan geen passieve, te verwaarlozen waterplas. Hij vertraagt en verzwakt de mondiale opwarming van de aarde die als gevolg van het versterkte broeikaseffect te verwachten is. Vooral boven de zeeën en boven het waterrijke zuidelijk halfrond blijkt de gemiddelde temperatuur langzamer te stijgen dan voorheen was berekend. En in sommige gebieden kan het zelfs tijdelijk koeler worden.

Mag dit een gunstig vooruitzicht lijken, er staat tegenover dat de temperatuurverschillen tussen land en zee in het algemeen groter zullen worden, dus de weerssituaties op vele plaatsen extremer. En nog zorgelijker is de ontdekking dat de temperatuur in vele gebieden tijdens de komende drie tot vier decennia zal dalen. Want die daling blijkt vooral te gaan plaatsvinden in het noorden van de Atlantische Oceaan en in de Weddellzee: precies in die gebieden waar de "diepwaterpompen' werken.

"Onze conclusie is dat binnenkort de watercirculatie die door de pompen in deze gebieden in gang wordt gehouden, afzwakt', aldus Maier-Reimer. "Vooral van het afzinkgebied in het noorden van de Atlantische Oceaan hangt echter de "centrale verwarming' van het noorden en midden van Europa af. Want het is door het effect van het bij IJsland wegzakkende water dat Noord-Europa, dat op dezelfde breedte ligt als bijvoorbeeld Alaska, toch een mild klimaat heeft'.

Door dit wegzakkende water wordt over de gehele breedte van de Atlantische Oceaan warm water uit het zuiden noordwaarts getrokken: de Golfstroom. De hoeveelheid warmte die ermee naar het noorden wordt getransporteerd en tijdens de afkoeling van het water aan de lucht wordt afgestaan, komt ongeveer overeen met een derde van de jaarlijkse hoeveelheid zonnewarmte boven de Atlantische Oceaan. Door deze extra verwarming liggen de klimaatzones in het midden en noorden van Europa ongeveer 1500 kilometer noordelijker dan elders.

Dryas-stadiaal

Dat deze "centrale verwarming' behoorlijk kan worden verstoord en zelfs kan uitvallen, bewijst een historische gebeurtenis die Maier-Reimer tezamen met Uwe Mikolajewicz van het Hamburger Max-Planck-Instituut in de computer heeft nagebootst: die van het jongere Dryas-stadiaal, ongeveer 11.000 jaar geleden.

De naam Dryas is afgeleid van het arctische plantje Dryas octopetala. Fossiele stuifmeelkorrels (pollen) van dit plantje vindt men tot ver ten zuiden van het huidige verspreidingsgebied in bodems en sedimenten. Met behulp van deze relikten uit de ijstijd kan men nagaan wanneer en tot hoe ver de gletsjers in Canada en Europa in het verleden zijn opgerukt.

Uit zulke pollenanalyses heeft men afgeleid dat ongeveer 11.000 jaar geleden, toen het hoogtepunt van de laatste grote ijstijd alweer duizenden jaren voorbij was, de grens van het landijs plotseling nogmaals ver naar het zuiden opschoof. Binnen een tijdsverloop van slechts honderd jaar heerste er toen in grote delen van Noord-Europa en het oosten van Canada opnieuw zes tot zeven eeuwen lang een soort ijstijd. En even snel, binnen enkele decennia, trokken de ijsmassa's zich aan het einde van het jongere Dryas-stadiaal weer terug.

Verder weet men dat tijdens deze klimaatsverandering de circulatie in het noorden van de Atlantische Oceaan aanzienlijk was verzwakt en het warmtetransport naar dit gebied was onderbroken. Met behulp van een computersimulatie zijn Maier-Reimer en Mikolajewicz de mogelijke oorzaak van het uitvallen van deze "verwarming' op het spoor gekomen. De watermassa's van de smeltende gletsjers in Noord-Amerika, die zich toen in de Atlantische Oceaan stortten, zouden de diepwaterpomp in het noorden van die oceaan een beetje hebben vertraagd.

"De vorming van bodemwater hangt namelijk in belangrijke mate af van het zoutgehalte van de oceaan', verklaart Maier-Reimer. "De Atlantische Oceaan verliest op tropische en subtropische breedten door verdamping in totaal méér water dan hij aan neerslag via rivieren terugkrijgt. Door dit netto verlies van zoet water heeft het water aan het oppervlak van deze oceaan ter hoogte van de Azoren een zoutgehalte van 3,75 procent: het hoogste van alle oceanen.

De hoge dichtheid die hieruit voortvloeit is voorwaarde voor de vorming van dieptewater in het noorden van de Atlantische Oceaan. Was het zoutgehalte ook maar 0,2 procent lager, zoals in het noorden van de Stille Oceaan, dan zou zelfs afkoeling tot aan het vriespunt niet voldoende zijn om het water naar de zeebodem te laten zakken.

In dat geval zou er een situatie van stabiele, gescheiden waterlagen ontstaan en zou de aanvoer van water en daardoor ook van warmte uit het zuiden worden onderbroken. En precies dat verschijnsel kwam uit de computersimulatie van het jongere Dryas-stadiaal naar voren. Eerst, na het maximum van de laatste ijstijd, werkte de pomp in het noorden van de Atlantische Oceaan ongeveer zoals nu en werd hij niet gehinderd door smeltwater dat toen van Noord-Amerika via het Mississippibekken in de Golf van Mexico stroomde.

Later echter, toen door het afsmelten van het ijsdek in Canada het smeltwater vooral via het Saint Lawrens-bekken naar zee stroomde, kreeg het noorden van de Atlantische Oceaan een zoetwatergolf te verduren. Het zoutgehalte nam daar af en tenslotte kwam de "pomp' in dit gebied tot stilstand. En zo kon er gedurende een periode van enkele eeuwen opnieuw een soort ijstijd optreden.

Ook al wijzen de nieuwe klimaatmodellen op een toekomstige afkoeling in het noorden van de Atlantische Oceaan, het betekent nog niet dat ons nu een soortgelijke dramatische verandering als 11.000 jaar geleden te wachten staat. Want op zulke grote hoeveelheden smeltwater als na de vorige ijstijd behoeven we in de verste verte niet te rekenen, ook al zouden zich in de toekomst grote veranderingen in neerslagpatronen voordoen en zouden gletsjers in gebergten in versneld tempo afsmelten. De pomp zal dus niet tot stilstand komen, maar slechts langzamer gaan draaien. Maier-Reimer schat dat de circulatie in de oceaan ongeveer 20 procent zal verminderen.

Belangrijker dan een precies getal is het onweerlegbare feit dat uit het Dryas-voorbeeld en de gekoppelde klimaatmodellen tevoorschijn komt: dat het noorden van de Atlantische Oceaan een soort zenuwcentrum is in het samenspel van atmosfeer en oceaan. Het zoutgehalte van het zeewater is hierin een kritische grootheid, die op zijn beurt weer afhangt van verschillende factoren die binnenkort min of meer sterk zullen veranderen: de verdamping, de neerslag boven oceanen en de aanvoer van zoet water via rivieren.

Daar komt nog bij dat de dichtheid van het water niet alleen afhangt van het zoutgehalte, maar ook van de temperatuur en dat de mate van afkoeling in het noorden van de Atlantische Oceaan ook afhangt van de daar heersende winden en de temperatuur van de aangevoerde luchtmassa's.

Alles bij elkaar werkt er naast het zoutgehalte dus een heel stel factoren op de circulatiepomp in het noorden van de Atlantische Oceaan. Hoe sterk deze Achilleshiel van het klimaatsysteem door de toekomstige ontwikkeling van het klimaat wordt getroffen is daarom nog niet te zeggen. Maier-Reimer: "Het zoutgehalte van de oceaan is ook een Achilleshiel in het klimaatmodel zelf. Hij hangt af van te veel, voor een deel nog niet precies begrepen parameters, om de veranderingen die hij in zijn buurt veroorzaakt enigszins betrouwbaar te kunnen voorspellen'.

Dus blijft in eerste instantie alleen de kwalitatieve voorspelling dat door een mondiale opwarming van de aarde de temperatuur in het noorden van de Atlantische Oceaan tijdelijk zal dalen. Metingen uit de afgelopen decennia wijzen ook op zo'n afkoeling. Weliswaar liggen deze meetresultaten nog binnen de natuurlijke schommelingen van het klimaat, maar ze passen beter in het beeld dat men nu heeft dan vroeger. De vroegere klimaatmodellen, waarin de oceanen nog als ondiepe "waterplassen' werden beschouwd, lieten namelijk zonder uitzondering stijgende temperaturen zien.

Ook werd in de jaren zestig en zeventig een afwijking in het normale zoutgehalte van het noorden van de Atlantische Oceaan waargenomen. Men vond een gebied met relatief zoutarm water, dat van de Labradorzee naar IJsland dreef en na tien jaar in de Noordelijke IJszee verdween. Het ging gepaard met een duidelijke regionale afkoeling en met een opmerkelijke aangroei van het landijs op IJsland. In Europa volgden toen enkele zeer strenge winters.

Nu kan zo'n anomalie, net als iedere andere uitschieter, in het ingewikkelde klimaatsysteem altijd nog als het gevolg van toevallige, natuurlijke klimaatschommelingen worden beschouwd. Men mag die dus niet zien als teken of bewijs voor een door de mens teweeggebrachte klimaatsverandering.

Zo'n anomalie laat echter wel zien wat we kunnen verwachten wanneer de voorspellingen van de nieuwe, gekoppelde klimaatmodellen uitkomen. We behoeven daarbij niet zozeer bang te zijn voor de eindsituatie: een gemiddeld 2,5 ß8C hogere temperatuur op aarde na verloop van honderd jaar. Meer zorg baart de mogelijkheid dat de verandering heel snel zal plaatsvinden. Tijdens zo'n omslagperiode zullen er vaker extreme weerssituaties voorkomen en zullen de extremen groter zijn dan nu.

Midden- en Noord-Europa zouden tijdens zo'n omslagperiode geteisterd kunnen worden door méér en zwaardere stormen. Wanneer het namelijk in het noorden van de Atlantische Oceaan koeler wordt en rondom dit gebied warmer, worden de temperatuurverschillen aan de polaire fronten groter: in de "keuken' waarin het voor Europa bestemde weer wordt gebrouwen.

Kaartjes:

1. Deze kaart, samengesteld op het Max-Planck-Instituut voor Meteorologie in Hamburg, toont de stijging van de gemiddelde temperatuuur op aarde bij een verdubbeling van de hoeveelheid kooldioxyde in de atmosfeer. De temperatuurstijging neemt toe van de evenaar naar de polen, waarbij het weinig blijkt uit te maken of het nu om land of zee gaat. De kaart is gebaseerd op een klassiek klimaatmodel, waarin de oceanen nog beschouwd worden als slechts 50 meter diepe "waterplassen'.

2. Het stromingssysteem dat de drie grote oceanen met elkaar verbindt is als het ware één grote transportband. De kringloop wordt aangedreven door een "diepwaterpomp' bij IJsland. Warm water met een hoog zoutgehalte, dat in de Atlantische Oceaan naar het noorden stroomt, wordt door de koude lucht uit het Noordpoolgebied en Canada afgekoeld. Daardoor neemt de dichtheid zo sterk toe, dat het water naar de zeebodem zakt en als koud bodemwater verder stroomt. Het afzinkgebied in het noorden van de Atlantische Oceaan, zo hebben modelberekeningen op het Max-Planck-Instituut voor Meteorologie aangetoond, is een soort zenuwcentrum in het mondiale klimaatsysteem. Van hieruit kan de oceaan, het trage "vliegwiel' in het klimaatsysteem, al door een kleine oorzaak snel een andere toestand overspringen.

3. Gekoppelde klimaatmodellen, die niet alleen rekening houden met de dynamica van de atmosfeer maar ook met die van de oceanen, geven heel andere resultaten te zien voor de opwarming van de aarde dan vroegere modellen die de oceanen als 50 meter diepe "waterplassen' behandelden. Met behulp van zo'n gekoppeld model hebben meteorologen in Hamburg de veranderingen van de gemiddelde temperatuur op aarde in de komende vijftig jaar berekend. Er is van uitgegaan dat de concentratie kooldioxyde in de atmosfeer tegen die tijd 80 procent hoger is dan nu. Vergeleken met de vroegere prognoses ziet men nu regionaal sterk verschillende temperatuurveranderingen en boven de oceanen zelfs gebieden waar het koeler wordt. Dit laatste vooral in die gebieden waar oppervlaktewater naar de bodem zakt, zoals in het noordwesten van de Atlantische Oceaan.

    • Walter Frese