The West Wind – wat de westenwind zegt over de interne variabiliteit van het klimaat

The West Wind van Tom Thomson

The West Wind is een schilderij van de Canadese schilder Tom Thomson. Het maakte deel uit van de expositie “Painting Canada” die in 2012 door Europa trok en daarbij onder meer het Groninger Museum aandeed. Dat museum verzocht een aantal muzikanten een nummer te schrijven bij een werk uit die expositie. Een van die muzikanten was Pascal Hallibert van Point Quiet, en die schreef “The West Wind (mp3)”. En dat nummer is het perfecte excuus om hier maar eens de nieuwe cd van dat bandje, waarin ik de contrabas beroer, te promoten.

De westenwind speelt namelijk een hoofdrol in een artikel dat eind vorig jaar in Nature Geoscience verscheen: “Early twentieth-century warming linked to tropical Pacific wind strength” van – hoe toevallig – Thompson et al.. Het artikel gaat over een westenwind die niet zo vaak voorkomt: die in de tropische Stille Oceaan.

Het begint bij de passaat, die wind die vanuit het zuiden en noorden naar de evenaar waait, om de daar opstijgende warme lucht aan te vullen. Door de rotatie van de aarde (het Corioliseffect) buigt de wind in het noorden af naar rechts en in het zuiden naar links, waardoor het rond de evenaar meestal uit het oosten waait. Water aan het oppervlak van de Stille Oceaan wordt door de passaat meegevoerd van oost naar west, onderweg steeds verder opwarmend in de tropenzon. De westelijke Stille Oceaan, bij Indonesië, is daarom meestal warmer dan die in het oosten, bij Zuid-Amerika, waar het door de wind weggevoerde water wordt vervangen door uit de diepte opwellend koud water. Door de hogere temperatuur stijgt er in het westen meer lucht op, wat op zijn beurt de oostenwind weer versterkt. Door de overheersende oostenwind is de zeespiegel bij Indonesië tot een halve meter hoger dan bij Zuid-Amerika. Af en toe stroomt er, iets onder het oppervlak, een enorme bel warm water (een zogenaamde Kelvingolf) terug naar Zuid-Amerika. Als die bel daar aan het oppervlak komt zwakt de oostenwind af, of kan de wind zelfs tijdelijk uit het westen waaien, waardoor nieuwe Kelvingolven opgewekt kunnen worden. Het afwijkende temperatuurprofiel dat is ontstaan kan zichzelf zo (tijdelijk) in stand houden of versterken. Wanneer dat gebeurt is er sprake van een El Niño. Bij een La Niña is – de oplettende lezer zal dat inmiddels begrijpen – de situatie omgekeerd: een sterkere oostelijke passaat en groter temperatuurverschil tussen west en oost dan normaal. Een animatie van Prentice Hall laat zien hoe de verschillende condities ontstaan. Niño’s en Niña’s worden gekwantificeerd op basis van de ENSO-index.

Westenwind boven de tropische Stille Oceaan gaat dus samen met een El Niño. En El Niño heeft grote invloed op de warmte-uitwisseling tussen de Stille Oceaan en de atmosfeer. Het koude water dat normaal gesproken bij Zuid-Amerika naar boven komt uit de diepe oceaan, wordt tijdens een El Niño afgedekt door lichter warm water. De gemiddelde temperatuur van het oceaanoppervlak stijgt, met als gevolg dat de oceaan (netto) meer warmte afstaat aan de atmosfeer. De afgelopen jaren heeft de klimaatwetenschap steeds meer aanwijzingen gevonden dat de Stille Oceaan hiermee een grote invloed heeft op de interne variabiliteit van het klimaat, op tijdschalen van jaren, tot mogelijk enkele decennia. De lange termijn variabiliteit wordt beschreven met indices als de Interdecedal Pacific Oscillation (IPO) en Pacific Decadal Oscillation (PDO). Deze schommelingen zijn niet identiek aan die van de ENSO maar er zijn wel overeenkomsten. Bovendien heeft de toestand van de IPO en de PDO invloed op die van de ENSO.

Het is nog wel belangrijk om te beseffen dat de Stille Oceaan niet traploos schakelt tussen de standen “El Niño”, “neutraal” en “La Niña”. El Niño’s of La Niña’s zijn ook niet allemaal identiek. Er zijn immers tal van factoren die invloed kunnen hebben op de temperatuur van het oceaanoppervlak, en op stromingen van water en lucht. De indices van ENSO, PDO en IPO beschrijven de toestand in de Stille Oceaan in grote lijnen, maar zeggen zeker niet alles. Een naar het oosten trekkende Kelvingolf leidt daarom ook niet altijd tot een El Niño, zoals we vorig jaar hebben gezien. Toen bleek de atmosfeer niet te “happen” op de toestand van de oceaan.

Als het samenspel tussen passaatwinden en het temperatuurverschil tussen de oostelijke en westelijke Stille Oceaan een rol speelt bij schommelingen in het klimaat over perioden tot enkele decennia, zou het een factor van betekenis kunnen zijn bij de snelle opwarming in de jaren ’80 en ’90 van de vorige eeuw, én bij de daarop volgende periode die tegenwoordig “hiatus” of “opwarmingspauze” heet. En het zou dan ook een rol kunnen spelen in de vergelijkbare “slinger” die vroeg in de 20^e eeuw begon: snelle opwarming van de atmosfeer van ruwweg 1910 tot 1940, gevolgd door een periode zonder opwarming. Externe forceringen – de stijging van de CO₂-concentratie, een actieve zon, een vrij lage vulkanische activiteit – hebben daarbij een rol gespeeld, maar die forceringen zijn niet groot genoeg om de temperatuurstijging van ongeveer 0,4 °C tussen 1910 en 1940 volledig te verklaren. Interne variabiliteit heeft dus vermoedelijk bijgedragen aan de opwarming in die periode.

Temperatuurverloop (in rood) en stralingsforceringen (antropogeen in groen, zonneactiviteit in geel, vulkanisme in blauw) voor de periode 1890 – 2010. Bron: Thompson et al., 2015

Het vermoeden dat de Stille Oceaan een aanzienlijke invloed heeft wordt onder meer bevestigd door de IPO-index en daarnaast door temperatuurdata (de AMO index) van de (noordelijke) Atlantische Oceaan: daar loopt de opwarming zo’n 15 jaar achter de mondiale trend aan (zie de afbeelding verderop in dit stuk). Maar er is nog veel onbekend over de precieze toestand van de Stille Oceaan in de eerste helft van de vorige eeuw, omdat gegevens over bijvoorbeeld wind en temperatuur van het zeeoppervlak vrij schaars zijn. Dat geldt zeker voor het gebied rond de evenaar bij de datumgrens. De data uit dat gebied worden bijzonder belangrijk geacht als indicator van de klimatologische toestand van de Stille Oceaan.

Tarawa

Voor de reconstructie van de windgegevens in dit gebied reisden de onderzoekers naar het atol Tarawa, het hoofdeiland van de republiek Kiribati. Die reconstructie is mogelijk door de bijzondere vorm van het atol. Het sediment op de bodem van de lagune is rijk aan het element mangaan (Mn). Als de wind uit het westen waait wervelt dit sediment op. Een deel van het sediment stroomt naar buiten en wordt dan met het door de wind meegevoerde oceaanwater oostwaarts getransporteerd. Het koraal dat daar groeit neemt dan meer mangaan op in het kalkskelet (zie de schematische afbeelding hiernaast; het sterretje geeft de onderzoekslocatie aan). Daarmee is de verhouding tussen mangaan en calcium in dat kalkskelet een maat voor de frequentie en sterkte van de westenwind in het gebied. Naarmate de sterkte van de passaat op het schaalniveau van de gehele oceaan afneemt, komt er op kleinere, lokale schaal vaker een westenwind voor. Het mangaangehalte van het koraal is dus een indicator voor de sterkte van de passaat. Gegevens over de afgelopen decennia bevestigen dit.

Met een vergelijkbare, maar al langer bekende en frequenter gebruikte, methode is de temperatuur van het oceaanoppervlak gereconstrueerd. Hier is de verhouding tussen het element strontium (Sr) en calcium een indicator en zijn de gegevens afkomstig van het eiland Jarvis, eveneens in de buurt van de datagrens en de evenaar.

Resultaten van Thompson et al; achtereenvolgens: de 10-jaarsgemiddelde trend van de mondiale temperatuur (in rood); de AMO index (temperatuur van het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan t.o.v. de lange termijn trend, in blauw); de IPO index (in geel); gereconstrueerde temperatuur van het oceaanoppervlak (in groen); gereconstrueerde sterkte van de passaat (in paars)

De resultaten laten zien dat de passaat boven de Stille Oceaan in de periode van 1910 – 1940 (met de rode achtergrond in de grafiek) zwak was, en dat deze sterker was in de decennia daarop, toen de temperatuur vrijwel niet veranderde. De lijkt te bevestigen dat oscillaties in de Stille Oceaan een grote invloed hebben op de interne variabiliteit van het klimaat op mondiale schaal. Dat een volgende periode van zwakkere passaatwinden samen zal gaan met een aanzienlijke stijging van de wereldtemperatuur is dan ook een reële mogelijkheid.