De 'transportband van de oceaan' hapert door de opwarming van de aarde

Golfstromen

Het systeem van stromingen in de Atlantische Oceaan, dat ons een mild klimaat geeft, zwakt af. Maar de consequenties zijn lastig in te schatten: het systeem is veel complexer dan de 'transportband' waar het mee wordt vergeleken.

Ingekleurd satellietbeeld van de oceaanstromingen op aarde, dicht bij het wateroppervlak. Foto’s NASA

Juist omdat de aarde opwarmt, kan het noordwesten van Europa flink gaan afkoelen. Het is een raar idee. Maar de meeste klimaatmodellen voorspellen het. Het heeft te maken met de AMOC, het complexe systeem van stromingen in de Atlantische Oceaan. Het transporteert vanaf de evenaar warmte naar het noorden, en geeft Noordwest-Europa zijn milde klimaat. Maar hoe lang nog?

Vorige week schreven onderzoekers in Nature dat de AMOC sinds 1950 aan het afzwakken is. Vorige maand maand nog hintten drie Duitse wetenschappers in Nature Climate Change naar een mogelijke complete ‘shutdown’ van het systeem. Maar Martha Buckley, oceanograaf aan de George Mason University in Fairfax (VS), is kritisch op die studies. „We missen een theoretisch kader om de AMOC te begrijpen.”

Buckley schreef twee jaar geleden, samen met collega John Marshall, een overzichtsartikel over de AMOC in Review of Geophysics. Modellen herbergen onzekerheden, schrijven ze. En al het onderzoek in de Atlantische Oceaan heeft de laatste vijftien jaar vooral verrassingen opgeleverd. Dat bevestigt fysisch oceanograaf Femke de Jong van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ). Ze doet onderzoek aan een deel van de AMOC, in de Irmingerzee, ten zuidoosten van Groenland. „Ons 3D-beeld van de AMOC is alleen maar ingewikkelder geworden.”

Vast staat dat de AMOC vanaf de evenaar netto meer warmte afvoert naar het noorden dan naar het zuiden. Hierin is de Atlantische Oceaan uniek. Het maakt dat het noordelijk halfrond gemiddeld iets warmer is dan het zuidelijk. Het warme water bevindt zich in de bovenste honderden meters van de oceaan (warm water is lichter dan koud water). Eenmaal in het koude noorden staat het veel warmte af aan de atmosfeer. De afname in temperatuur, samen met het hoge zoutgehalte van dit water van tropische origine, zorgt ervoor dat de dichtheid toeneemt.

Het nu zwaardere water zinkt door convectie naar de diepte en wordt weer zuidwaarts getransporteerd, langs de oostkust van de Amerika’s, tot helemaal aan het zuidelijk poolgebied. Daar welt het weer op, op plaatsen waar harde winden het oppervlaktewater wegblazen. Aanvankelijk blijft het lange tijd in de Zuidelijke Oceaan rondgaan. Na verloop van tijd gaat een klein deel terug naar de evenaar. Een groot deel gaat richting Stille Oceaan. Vanwege deze cyclus wordt de AMOC vaak afgeschilderd als een transportband.

Ringvormige stromingen

Verdere opwarming van de aarde kan dit proces verstoren. Het is in het verleden vaker gebeurd (zie inzet). Als het water aan het zee-oppervlak warmer wordt (en dus uitzet), of zoeter door de massale instroom van smeltend gletsjer-ijs (bijvoorbeeld van Groenland), zou het kunnen dat het water in het noordelijk poolgebied onvoldoende ‘indikt’ om af te zinken. Dan vertraagt de transportband, of valt hij helemaal stil. En dan vervoert hij ook geen warmte meer, of in ieder geval veel minder, richting Noordwest-Europa.

Stromingen in het oppervlaktewater, met oppervlaktetemperatuur

Maar het beeld van die transportband, scherp afgebakend en continu draaiend, klopt niet. De AMOC blijkt een aaneenschakeling van een paar grote ringvormige stromingen en een heleboel uitwaaierende kleinere wervelingen waarvan oceanografen de samenhang niet altijd even goed doorgronden. „Ik denk dat we dat beeld van de transportband achter ons moeten laten”, zegt Martha Buckley.

Degene die met dat beeld kwam, was de Amerikaanse oceanograaf Wallace Broecker. In 1987 opperde hij in het novembernummer van het populair-wetenschappelijke tijdschrift Natural History de term Great Ocean Conveyor Belt. De AMOC was er onderdeel van. Maar vier jaar later betuigde Broecker in het vakblad Oceanography spijt van die, toen al breed opgepikte, versimpeling. Het was bijvoorbeeld al aangetoond, schreef hij, dat de transportband niet scherp afgebakend is. Onderzoek met tracerstoffen (zoals radioactief koolstof, of de chloorfluorkoolwaterstof cfc-11) had dat uitgewezen. Die tracers volgden niet altijd de baan van de AMOC, maar kwamen ook elders in de Atlantische Oceaan terecht.

In dat artikel berekende Broecker overigens ook dat, als de AMOC stilvalt, de luchttemperatuur boven Groenland en Europa 5 tot 8 graden Celsius zou afkoelen.

De grilligheid van de AMOC is in de jaren daarna alleen maar bevestigd. Onderzoek voor de kust van Brazilië, op een diepte van enkele kilometers, toonde aan dat het diepe zoute water niet in een vloeiende beweging zuidwaarts trekt. Het breekt uit elkaar in een aantal tegen de klok in draaiende wervelingen (eddies). Zo’n beeld is op meer plekken gevonden. Hetzelfde geldt voor de Golfstroom, die warm oppervlaktewater vanaf Florida richting het noordwesten van Europa transporteert. Die stroom gaat eerst via de oostkust van de VS omhoog, en buigt dan bij Kaap Hatteras af in noordoostelijke richting. Een paar kilometer uit de kust splitst de stroom zich in talloze wervelingen.

Verrassingen kwamen ook uit het eerste permanente meetnet dat in 2004, op 26,5 graden noorderbreedte, werd opgesteld over de hele breedte van de Atlantische Oceaan. . Over de eerste tien jaar aan metingen schreven Meric Srokosz en Harry Bryden van de University of Southampton in 2015 een review in ScienceZo bleek de sterkte van de AMOC door het jaar heen veel meer te schommelen dan gedacht. Die sterkte wordt uitgedrukt in het volume getransporteerd water per tijdseenheid. De maat daarvoor is de Sverdrup – 1 Sverdrup staat voor een miljoen kubieke meter water per seconde. De waardes schommelden tussen 4 (in februari) en 35 (in september) Sv, en stonden primair onder invloed van wisselende windpatronen. Eerdere, beperkte scheepsmetingen waren op een spreiding van 15 tot 23 Sv uitgekomen.

Dan was er nog de val in de sterkte van de AMOC, tussen de lentes van 2009 en 2010. Die kwam „totaal onverwacht”, beschreven Meric Srokosz en Harry Bryden van de universiteit van Southampton in 2015 in Science. Van een tot dan toe gemeten jaarlijks gemiddelde van 18,5 Sv nam de sterkte met 30 procent af, naar 12,8 Sv. Hierdoor bleef er bezuiden de 26,5 graden noorderbreedte meer warmte hangen. En dat leidde weer tot een opvallend sterk Atlantisch orkaanseizoen.

Er was nog een verrassing. De observaties op 26,5 graden noorderbreedte bleken niet exemplarisch voor de hele AMOC, wat wel werd gedacht. Incidentele metingen op andere breedtegraden vonden hele andere variaties. „We dachten dat we een snapshot van de AMOC konden krijgen door op één plek heel goed te kijken”, zegt Buckley. „Dat bleek niet zo.”

Diep zout water

Mede daarom is in 2014 nog een ander permanent meetnet opgezet, op 53 graden noorderbreedte. Dit is waar Femke de Jong van het NIOZ onderzoek doet. Er wordt gemeten in de Labradorzee, ten zuidwesten van Groenland. En in een gebied ten zuidoosten van Groenland, dat de Irmingerzee, het IJslandbekken en de Rockall Trog omvat. „Dit zijn twee hele belangrijke regio’s waar het afzinken van het zoute water naar de diepte plaatsvindt”, zegt De Jong. Dat afzinken, en de vorming van diep zout water, is volgens veel modellen het drijvende mechanisme achter de AMOC. Hoe dieper de convectie van het zoute water, hoe sterker de AMOC. „Maar in de observaties tot dusver zien we dat niet terug”, zegt De Jong.

Het beeld van de AMOC is er nu een van een dynamisch, complex systeem met lokaal flink fluctuerende sterktes. Op korte tijdschaal (maanden tot enkele jaren) en op lagere breedtegraden zijn die vooral bepaald door variaties in windpatronen. Op langere tijdschalen (1 tot 10 jaar) en in het noorden is de warmte-uitwisseling met de atmosfeer belangrijker.

Verder is het idee dat er ook een langere termijn schommeling in het systeem zit: een natuurlijke cyclus van een decennium tot enkele decennia, gestuurd door variaties in warmtetransport over de mondiale oceanen. Satellietmetingen van de temperatuur aan het zee-oppervlak in het noorden van de Atlantische Oceaan laten zo’n schommeling zien. Maar „tot op heden is er geen observationele studie geweest die de veranderingen van oppervlaktetemperatuur succesvol heeft gekoppeld aan de variabiliteit van de AMOC”, schreven Buckley en Marshall twee jaar geleden in hun review.

Voor Noordwest-Europa blijft de belangrijkste vraag: komt er een eind aan het milde klimaat als de AMOC vertraagt, of zelfs stilvalt? Dat laatste zou kunnen gebeuren als de instroom van smeltwater vanaf Groenland een drempel overschrijdt. De Jong: „Wat er vanaf Groenland de Irmingerzee inkomt is in tien jaar tijd verdubbeld.” Ze verwacht deze eeuw zeker veranderingen in de AMOC. „Maar hoe sterk, dat is de vraag.” Een volledige shutdown betwijfelt ze.

In hun review concluderen Buckley en Marshall dat zich de afgelopen vijftig jaar geen structurele veranderingen hebben voorgedaan in de AMOC. En dan nog: als de AMOC wel reageert, hoe groot zijn dan de gevolgen? Deskundigen zijn het er niet over eens in hoeverre het milde klimaat van Noordwest-Europa wordt bepaald door warmtetransport in de oceaan of door windpatronen in de atmosfeer. Buckley: „Eigenlijk kunnen we er nog weinig over zeggen.”

    • Marcel aan de Brugh