El Niño komt!; Reddingsploegen maken zich op voor noodweer

Eenmaal per vier jaar stijgt de zeewater-temperatuur voor de kust van Peru en stort de visvangst in. Tegelijk spelen op duizenden kilometers afstand rampzalige droogtes en overstromingen. Komende maand is hij terug: El Niño.

'EL NIÑO komt.' 'The kid is back.' 'Ongewenst kind verschijnt opnieuw.' Al weken gonst het in de Amerikaanse media van geheimzinnige onheilstijdingen. In Californië worden reddingsploegen samengesteld en huizen versterkt. Rioleringssystemen worden nagekeken en dakbedekkers knappen daken op. Het vermaarde Scripps Institution of Oceanography van de universiteit van Californië maande vorige week tot haast: er is een gerede kans dat al binnen een maand zware regens en stormen losbarsten.

En Scripps staat niet alleen. Ook het Climate Prediction Centre van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) brengt voortdurend waarschuwingen naar buiten. Op een conferentie van de VN-organisatie voor meteorologie (WMO), afgelopen week in Genève, is de vrees uitgesproken dat de Niño die nu in ontwikkeling is de Niño van 1982, de zwaarste van de eeuw, in kracht gaat evenaren. Maar, geven de mensen van Scripps en de NOAA toe, het kan ook zijn dat er niets bijzonders gebeurt.

In engere zin verstaat men onder een El Niño een abnormale stijging van de zeewatertemperatuur voor de kust van Ecuador en Peru, al of niet onder omkering van de Peru- (of Humboldt-) stroom die onder normale omstandigheden uit het zuiden relatief koud water langs de westkust van Zuid-Amerika naar de evenaar voert. En daar ter hoogte van Peru bovendien een koude 'opwelling' opwekt die zeer voedselrijk is - de voornaamste verklaring voor de rijke visgronden van Peru. De abnormale temperatuur kan wel tot vijf graden boven normaal oplopen en een jaar aanhouden. De visstand en het visserijbedrijf storten in en onder de zeevogels treedt een massale sterfte op. De Peruaanse kust, die juist door het koude zeewater een woestijnkarakter heeft, wordt tijdens El Niño's geteisterd door zware regenval. Bovendien, en daarover gaat de huidige opschudding, gaan El Niño's, zoals nu zo'n twintig jaar bekend is, vaak samen met rampzalige droogtes en overstromingen op duizenden kilometers afstand van Peru. De extreem zware El Niño van 1982/1983 bracht overstromingen in Californië en ongekende droogte in Australië en Zimbabwe.

Vóór het begin van deze eeuw had de aanduiding 'El Niño' een andere betekenis dan nu. Toen sloeg de naam, waarmee het Kerstkind wordt bedoeld, op een bescheiden opwarming van het doorgaans koele Peruaanse kustwater die zich bijna elk jaar omstreeks Kerstmis voordoet en die alleen een lokaal effect heeft. Het is een door de natuur opgelegde rustperiode voor de Peruaanse vissers die maar een maand of twee duurt (en overigens nog steeds slecht wordt begrepen.)

Tegenwoordig gebruikt men de naam El Niño alleen voor de zware uitschieters die zich gemiddeld maar eens per vier jaar voordoen en die in verband staan met ingrijpende atmosferische en oceanische veranderingen op grote afstand van Peru. Want de catastrofale gebeurtenissen bij Peru blijken, zoals de oceanograaf Warren Wooster al in 1959 aantoonde, samen te hangen met veranderingen in de warmtehuishouding en het stromingspatroon van de Stille Oceaan die zich tot aan Nieuw-Guinea uitstrekken. Bovendien blijken ze gerelateerd aan een typisch patroon van luchtdrukveranderingen tussen een gebied rond Tahiti en Paaseiland enerzijds en Jakarta en het Australische Darwin anderzijds. Dat laatste werd begin jaren zestig aangetoond door de Deense onderzoeker Jacob Bjerknes.

Dat was, goed beschouwd, verwonderlijk laat, want al omstreeks 1925 had de Britse onderzoeker Gilbert Walker, die lange tijd als meteoroloog dienst deed in Brits-Indië, het 'mislukken' van de moessons in India in verband gebracht met diezelfde luchtdrukverandering waarvoor hij de term Southern Oscillation (SO) introduceerde (De Nederlandse meteoroloog H.P. Berlage, die ruwweg hetzelfde werk deed in Nederlands-Indië, noemde het de 'zuidelijke schommeling'). Statistische analyse van de variaties in de luchtdruk boven en rond de Stille Oceaan leerde Walker dat er een sterk negatieve correlatie is tussen luchtdrukveranderingen in het gebied van permanente hoge druk boven Tahiti en een gebied van permanent lage druk rond Jakarta en Darwin. Het is een wip: stijgt de druk boven Tahiti dan daalt hij boven Darwin en omgekeerd. Het verschil in druk tussen Tahiti en Darwin vertoont door het wip-effect extra grote variaties en Walker ontdekte dat het uitblijven van de moessons in Brits-Indië bijna steeds samenviel met een periode waarin de verschillen minimaal waren.

De gebeurtenissen bij Peru en Ecuador trokken in de jaren twintig nog zo weinig aandacht dat Walker niet op het idee kwam de zuidelijke oscillatie met de catastrofale El Niño's in verband te brengen. Dat deed pas Jacob Bjerknes die er voor het eerst in 1966 in een wijdverspreid vakblad (Tellus) over publiceerde. Ook El Niño's vallen meestal samen met een periode waarin het drukverschil tussen Tahiti en Darwin langere tijd laag is. (Met wat statistische cosmetica is het drukverschil later omgezet in een index, de Southern Oscillation Index, die ruwweg schommelt tussen +3 en -3. El Niño's gaan samen met een negatieve SOI). Men beschouwt El Niño's en de Southern Oscillation tegenwoordig als uitingen van hetzelfde fenomeen: het ENSO-fenomeen.

Bjerknes legde niet alleen het verband tussen El Niño en het drukverschil tussen Tahiti en Darwin, hij kwam ook met een theorie voor de verschijnselen. Een doorslaggevende rol is daarin weggelegd voor het grote temperatuurverschil tussen het zeewater in het westen en dat in het oosten van de Stille Oceaan. In het westen bevindt zich in normale (niet-Niño) jaren onder een doorgaans bewolkte hemel de zogenoemde 'warm pool' waarin de temperatuur van het zeewater boven de 28 graden komt. De formidabele hoeveelheid zeer warm zeewater brengt de bovenstaande lucht tot stijgen (convectie). Nergens anders op aarde is een gebied met een zo krachtige en omvangrijke convectie, de 'warm pool' wordt wel de motor achter de klimaten genoemd.

In het oosten van de oceaan, voor de kust van Ecuador en Peru, blijft de zeewatertemperatuur bij veel minder bewolking - en dus juist veel instraling - wonderlijk laag: maar 20 graden. Dat wordt toegeschreven aan de Peru-stroom, aan opwelling van koud water langs de kust en langs de evenaar, en bovendien aan de ondiepe ligging van de zogeheten thermocline. De thermocline ('spronglaag') is de abrupte overgang tussen het warme goed gemengde oppervlaktewater naar het koude water van de diepzee. Hij scheidt water dat sterk in dichtheid verschilt en speelt een belangrijke rol in allerlei dynamische beschouwingen over het transport van warmte door de Stille Oceaan. In het oosten van de Stille Oceaan ligt de thermocline soms maar enige tientallen meters onder de oppervlakte, in het westen kan hij wel 200 meter diep zijn.

Bjerknes realiseerde zich dat de zware temperatuurgradiënt langs de evenaar in combinatie met de convectie boven de 'warm pool' een oost-west-oostcirculatie in stand hield die een versterkend effect had op de passaten die in het centrum en oosten van de Stille Oceaan waaien. De passaten zijn de drijvende kracht achter de Noord en Zuid Equatoriale Stroom die oceaanwater naar het westen voeren. Bjerknes noemde zijn vondst eerbiedig de Walker-circulatie (De Walker-circulatie staat dwars op de veel bekendere Hadley-circulatie die de boven de evenaar opstijgende lucht naar hogere breedte afvoert.).

Van belang is dat Bjerknes in de Walker-circulatie een zichzelf versterkend mechanisme herkende dat een doorslaggevende rol kon spelen in het ontstaan en verdwijnen van El Niño's. Als de passaten in het oosten van de Stille Oceanen afzwakken raakt het patroon van zeestromingen zo aangetast dat er in het oosten langs de evenaar minder koud water opwelt en dat het warme water van de 'warm pool' zich geleidelijk wat meer naar het oosten kan verspreiden. De temperatuurgradiënt langs de evenaar wordt minder steil en de passaten nemen verder af in sterkte. Enzovoort, tot een 'catastrofe' volgt.

De ongekend zware El Niño van 1982/83, die de Peruaanse ansjovis-visserij een bijna vernietigende slag toebracht, versterkte de belangstelling voor het ENSO-fenomeen. In 1982 was Peru 's werelds eerste visserijland en de export van vismeel speelde een grote rol in de mondiale eiwitvoorziening. Binnen een paar maanden viel de export van vismeel weg.

Metingen aan deze en voorgaande El Niño's brachten de oceanograaf Klaus Wyrtki tot een hypothese voor het mechanisme achter de Niño's die zich redelijk met die van Bjerknes liet verenigen. Nauwgezette bestudering van geregistreerde getijhoogten leerde Wyrtki dat in normale (niet-Niño) jaren de zeespiegel in het westen van de Stille Oceaan gemiddeld enige tientallen centimeters hoger staat dan in het oosten. Wyrtki stelde zich voor dat het zeewater in niet-Niño-jaren in het westen accumuleerde onder de aanhoudende inwerking van de passaten. Die zouden ook de thermocline in het westen 'naar beneden drukken'. Zodra de passaten in het oosten afzwakten werd dit dynamisch evenwicht verstoord en stroomde water terug naar het oosten, zoals dat ook eenvoudig is op te roepen in een badkuip. Backsloshing: het begin van een ENSO-gebeurtenis zou gepaard gaan met een daling van de zeespiegel in het westen en een stijging in het oosten. (Moderne satellietmetingen hebben dat schitterend bevestigd). Tegelijk steeg de thermocline in het westen en zakte hij aan de andere kant.

Wyrtki voelde zich gesterkt in zijn opvatting door de waarneming dat El Niño's vaak worden voorafgegaan door periodes met ongewoon krachtige passaten. Dat laatste was ook al opgemerkt door de onderzoekers Rasmusson en Carpenter die tussen 1973 en 1982 onderzoek deden naar vaste, terugkerende patronen in de Niño's. Uit de combinatie van waarnemingen aan de zeven Niño's die zich voordeden tussen 1951 en 1972 construeerden zij de zogenoemde canonieke Niño: de standaard Nino. De canonieke Niño wordt beschreven aan de hand van zijn invloed op de gemiddelde zeewatertemperatuur in vier goed gedefinieerde gebieden en verder de invloed op de wind en de ligging van de thermocline.

Al snel kwam vast te staan dat de canonieke Niño een grove simplificatie is. De dramatische El Niño van 1982/83 ontwikkelde zich volgens een heel eigen patroon en ook de drie kleine Niño's tussen 1991 en 1995 weken sterk af van de standaard. De Niño's zijn grilliger dan het leek. De canonieke Niño wordt nu alleen nog beschouwd als een hulpmiddel voor het toetsen van computermodellen.

Die El Niño-computermodellen verschenen eind jaren zeventig, ten dele in het kielzog van het werk aan de reusachtige zogeheten GCM's, de General Circulation Models, die de klimaten over heel de aarde simuleren. Ten dele zijn ook, soms heel eenvoudige modellen apart voor de Stille Oceaan ontworpen (limited area models). Begin 1986 voorspelden Cane en Zebiak aan de hand van zo'n eenvoudig model de Niño die een half jaar later in inderdaad verscheen. Door het succes van het CZ-model , dat in 1991 werd geprolongeerd, is een tijdlang een buitensporig gezag toegekend aan de simulatietechnieken. Recente faliekant foute voorspellingen toonden echter aan dat nog lang niet alle Niño-spelers waren gevonden.

Toch hebben computersimulaties het El Niño-onderzoek een grote impuls gegeven. Daarbij kwam het goed van pas dat er na 1978 een stroom nieuwe gegevens uit de Stille Oceaan beschikbaar kwam. Sinds die tijd meten satellieten de temperatuur van het zeewater en de windsnelheid boven het oceaanoppervlak en is er informatie over bewolking en verdamping. Sinds 1985 kan ook de zeehoogte nauwkeurig vanuit de ruimte worden vastgesteld. De satellietgevens worden aangevuld door de metingen van een netwerk van losse en vaste boeien dat tijdens het internationale onderzoeksprogramma TOGA tussen 1985 en 1994 is de Stille Oceaan is gelegd. Zij seinen hun gegevens via satellieten naar grondstations.

Het voornaamste tekort van het kwalitatieve Bjerknes-Wyrtki-model was dat het niet kon verklaren waarom Niño- en niet-Niño-situaties elkaar voortdurend blijven afwisselen. Een jaar of tien geleden vestigde zich de gedachte dat het cyclische karakter van het ENSO-fenomeen misschien een gevolg was van een samenspel van zogenoemde 'internal waves' die worden aangeduid met Kelvin- en Rossby-golven. Het zijn onderzeese golven met een geringe oppervlakte-amplitude, een uiterst lage voortplantingssnelheid en een grote golflengte. Zij danken hun bestaan aan de traagheidskrachten (de corioliskracht) die de aardrotatie opwekt en manifesteren zich in het bijzonder langs waterlagen waarover een grote druk- of dichtheidsgradiënt bestaat. De thermocline dus.

Kelvin-golven trekken langs de evenaaar van west naar oost (en hebben daar maanden voor nodig), de nog veel tragere Rossby-golven lopen, verder van de evenaar, in omgekeerde richting van oost naar west. Als Rossby-golven tegen de westzijde van de Stille Oceaan botsen kunnen zij voor een deel weerkaatsen als Kelvin-golven en dus met grote vertraging opnieuw de oceaan overtrekken.

Het nieuwe inzicht leidde tot het zogenoemde 'delayed oscillator model' waaraan de namen zijn verbonden van Suarez en Schopf en van Battisti en Hirst. Kortgezegd gaat de theorie ervan uit dat het inzakken van de passaten in het centrum en oosten van de Stille Oceaan ter plekke een 'deuk' slaat in de thermocline die zowel Kelvin- als Rossby-golven opwekt. De Kelvin-golf die naar het oosten trekt veroorzaakt de opwarming bij Peru, de - veel later - als Kelvin teruggekaatste Rossby voert na verloop van tijd weer koud water aan. De vertraagde oscillatie geldt op dit moment als de meest aannemelijke verklaring voor het ENSO-fenomeen.

In het kader van het internationale onderzoekprogramma TOGA (Tropical Ocean - Global Atmosphere), waartoe na de extreem zware El Niño van 1982/83 was besloten, is tussen 1985 en 1994 een groot aantal zelfregistrerende boeien gelegd langs de evenaar in de Stille Oceaan. Sommige boeien zijn met kettingen van een paar kilometer lengte aan de zeebodem verankerd. De boeien verzamelen informatie over windrichting, windsterkte en zeewatertemperatuur en seinen hun gegevens via satellieten naar grondstations.

Het voornaamste kenmerk van een zich ontwikkelende El Niño of ENSO-gebeurtenis is dat de voorraad zeer warm zeewater (de 'warm pool') die in gewone, niet-Niño-jaren bij Nieuw Guinea ligt naar het midden, en soms zelfs naar het oosten van de Stille Oceaan opschuift. De figuur laat zien dat in de afgelopen maand juli, vergeleken met juli 1996, al veel warm water naar het centrum van de Stille Oceaan was gestroomd.

TELECONNECTIES

Het voornaamste kenmerk van een El Niño-, of zuiverder gezegd: een ENSO-gebeurtenis, is dat de 'pool' van warm water die zich gewoonlijk (in niet-Niño-jaren) in het westen van de Stille Oceaan rond Nieuwe Guinea bevindt naar het centrum van de oceaan gaat uitvloeien. Mèt het warme water trekt ook het gebied van sterke opstijgende luchtstromen (waarin veel bewolking en regen ontstaat) naar het midden van de oceaan. De verplaatsing van dit gebied van grote convectieve activiteit, het krachtigste en omvangrijkste dat de aarde kent, heeft grote, directe effecten op de luchtcirculatie boven het oosten en westen van de oceaan en kan indirect ook strominsgpatronen op grote afstand van die oceaan aantasten. Straalstromen en de permante gebieden van hoge en lage luchtdruk verplaatsen zich.

Dat verklaart waarom een ENSO-gebeurtenis, die ergens in de Stille Oceaan op gang komt, op den duur ingrijpende (maar tijdelijke) klimaatsveranderingen op grote afstand van de oceaan kan teweegbrengen en waarom die klimaatsveranderingen zich min of meer simultaan voordoen. In 1935 voerde de Zweedse onderzoeker Anders Angström voor dit verschijnsel, dat anderen al eerder beschreven, de term 'teleconnecties' in.

Het zoeken naar teleconnecties is een apart specialisme binnen de meteorologie geworden. In 1975 publiceerden de Duitse onderzoekers Flohn en Fleer het resultaat van hun speurtocht naar klimaatafwijkingen in de periode 1890-1970 die statistisch significant in verband leken te staan met het El Niño-verschijnsel zoals zich dat midden in de Stille Oceaan voordoet. Als sterke verbanden vonden zijn: droogte in India en het noordoosten van Brazilië, een verlaagd niveau van het Tsjaad-meer en een veranderde afvoer van de Nijl. En in de eerste plaats natuurlijk een klimaatverandering bij Peru en Ecuador.

In 1987 liet Chester Ropelewski van het Amerikaanse Climate Prediction Centre zien wat een vergelijkbare studie (met iets andere opzet) bij hem had opgeleverd. Hij bracht de resultaten samen in het figuurtje dat hierbij is weergegeven. Het interessante is dat zowel bij Flohn en Fleer als bij Ropeleweski de extra regen en wind ontbreekt waarover men zich in Californië nu zo bezorgd toont.

Het ENSO-verschijnsel lijdt dus aan een dubbel voorspellingsprobleem. Het is nog steeds niet mogelijk de komst van een Niño zelf lang van tevoren te voorspellen (al worden de eerste tekenen tegenwoordig dankzij satellietwaarnemingen snel herkend), daarna is het nog maar afwachten hoe het weer verderop op de aardbol zich zal ontwikkelen. Dat maakt het zo moeilijk om te anticiperen op het verschijnsel. Afnemers van Peruaanse vismeel kunnen met tamelijk grote (maar niet eens absolute) zekerheid rekenen op een verminderd aanbod als de 'warm pool' gaat lopen. Of Australische veeboeren dan maar gelijk het advies moet worden gegeven hun schapen weg te doen is al minder duidelijk.

Voor de komende decennia komt daar nog als extra probleem bij dat het niet wordt uitgesloten dat het versterkte broeikaseffect het ENSO-verschijnsel beïnvoedt. Er is de vage notie dat de Niño's de laatste decennia steeds zwaarder of frequenter worden. Ook voor het onderzoek naar de mogelijke gevolgen van de continue uitstoot van broeikasgassen is meer inzicht in het ENSO-fenomeen dus onontbeerlijk.

Met dank aan dr. Gerrit Burgers (KNMI).

Geraadpleegde literatuur:

'Currents of change. El Niño's impact on climate and society' door M.H. Glantz. Cambridge University Press, 1996.

'Climate System Modeling'. Kevin Trenberth (ed.). Cambridge University Press, 1992.

'Atlas of satellite observations related to global change' door R.J. Gurney e.a. Cambridge University Press, 1993.

'El Nino' door Colin Ramage. Scientific American, juni 1986.