Een Kleine IJstijd op de bodem van de Stille Oceaan

HMS Challenger, het schip waarmee in de periode 1872 – 1876 metingen werden gedaan van de temperatuur in de diepe Stille Oceaan. Bron: The Royal Albert Memorial Museum, HMS Challenger Project

Mijn eerste reactie na lezing van de samenvatting van een artikel van Geoffrey Gebbie en Peter Huybers in Science: “Nogal wiedes”. Maar na lezing van het hele artikel bleek het toch wat moeite te kosten om alle details te doorgronden. Ik begin met het voor de hand liggende deel.

Schematische weergave van de thermohaliene circulatie. Bron: Stefan Rahmstorf, PIK Potsdam

De oceaancirculatie op mondiale schaal, de thermohaliene circulatie, wordt onder meer aangedreven door koud water dat in de poolgebieden door zijn hoge soortelijke gewicht naar de zeebodem zinkt. De noordelijke Atlantische Oceaan, bij Groenland, is een plek waar veel water naar de diepte zinkt. Een belangrijke tak van de thermohaliene circulatie stroomt daar vandaan over de bodem naar het zuiden en vervolgens naar de Stille Oceaan. Op verschillende plekken in de Stille Oceaan komt het water, een tot twee millennia later, weer naar boven.

Eenmaal in de diepte dringt er geen zonlicht meer tot dat water door. Er is ook weinig warmteoverdracht vanuit hogere lagen door menging of andere processen. De temperatuur van het water in de diepe oceaan wordt daarom in belangrijke mate bepaald door de temperatuur die het had toen het naar beneden zakte. Klimaatschommelingen aan het oppervlak vinden ook plaats in de diepe oceaan, maar wel met een vertraging die tot vele eeuwen op kan lopen. De diepte van het noordelijke deel van de Stille Oceaan loopt het meest achter, omdat veel van het water daar de lange reis vanuit de noordelijke Atlantische Oceaan heeft gemaakt.

Op het diepe deel van de oceanische transportband ligt dus een archief van het klimaat van de afgelopen 1000 tot 2000 jaar. Niet noodzakelijk van het wereldklimaat, want de temperatuur van het diepe water wordt vooral bepaald door wat er in de poolgebieden aan de hand is. Toch is een zeker verband met klimaatschommelingen op wereldschaal wel aannemelijk. Het lastige is dat dat archief bepaald niet makkelijk toegankelijk is. Zelfs in de 21e eeuw: de ARGO-sondes die tegenwoordig de temperatuur van de oceaan in de gaten houden komen niet dieper dan 2 kilometer. Metingen beneden die diepte zijn schaars. Maar ze zijn er wel.

Er zijn zelfs metingen van de temperatuur van de diepe oceaan uit de 19e eeuw. Ze zijn afkomstig van een onderzoeksexpeditie van het schip HMS Challenger die plaatsvond in de periode 1872 – 1876. Tijdens deze expeditie lieten onderzoekers regelmatig een maximum-minimumthermometer aan een lang touw zakken om de temperatuur in de diepte te meten. Ze deden duizenden metingen van de temperatuur beneden de gemengde laag aan het oceaanoppervlak, waarvan 760 beneden de 2000 meter. Gebbie en Huybers hebben deze metingen vergeleken met gegevens van het World Ocean Circulation Experiment (WOCE) uit de jaren ‘90 van de vorige eeuw.

Wetenschappers en scheepsbemanning aan boord van de Challenger, Bron: Letters from Gondwana

Metingen uit de 19e en uit de 20e eeuw zijn niet zomaar naast elkaar te leggen. Ten eerste omdat de metingen niet altijd op precies dezelfde plek en diepte werden uitgevoerd. De data uit de 20e eeuw werden daarom geïnterpoleerd naar de locaties van de metingen van de Challenger. En er moest ook rekening gehouden worden met onzekerheden, vooral in de oude metingen. Gebbie en Huybers hebben een aantal van die metingen buiten beschouwing gelaten, als er redenen waren om te veronderstellen dat het touw niet verticaal naar de diepte zakte door een te sterke stroming, of als er te veel kans was op een onjuiste meting door een verticale temperatuurinversie. Zo bleven er 3212 observaties over.

Temperatuurverschil in de diepe oceaan (1800 tot 2600 meter) tussen de waarnemingen van de Challenger en WOCE. De gekleurde blokjes geven het verschil uit observaties, de rest van de kaart modelresultaten over dezelfde periode. Bron: Gebbie en Huybers.

Aanvullend op de vergelijking van metingen hebben Gebbie en Huybers enkele modelsimulaties uitgevoerd. Die simulaties moesten een veel langere periode bestrijken dan de metingen. Ze moesten er immers voor zorgen dat het klimaatarchief van de diepzee helemaal gevuld was in de laatste anderhalve eeuw. Op die manier konden ze de meet- en modelresultaten met elkaar vergelijken. De simulaties gingen daarom over een periode van 2000 jaar. Het temperatuurverloop zoals dat bekend is uit klimaatreconstructies werd opgelegd aan het model. In de simulaties was er dus een Middeleeuws Klimaatoptimum en een Kleine IJstijd.


Overzicht van klimaatreconstructies van de afgelopen 2000 jaar. Bron: IPCC AR5

Er zit aardig wat spreiding in de metingen. Niet verbazingwekkend, bijvoorbeeld omdat de onderzoekers aan boord van de Challenger niet konden beschikken over de kennis en technologie van tegenwoordig. Dat neemt niet weg dat de metingen net als de modelresultaten het beeld van het klimaatgeheugen van de diepe oceaan in grote lijnen bevestigen. Het lijkt erop dat er tegenwoordig nog relatief koud water, dat in de Kleine IJstijd vanaf het oceaanoppervlak naar beneden zonk, vanuit de zuidelijke Atlantische Oceaan de Stille Oceaan in stroomt.

De consequentie daarvan zou zijn dat de diepe Stille Oceaan afkoelt. En dat zou gevolgen kunnen hebben voor berekeningen van de toename van de totale warmte-inhoud (of, in klimaatterminologie OHC: ocean heat content) van de oceanen. Volgens het nieuwsbericht op de site van het Woods Hole Oceanographic Institution zou de toename van de warmte-inhoud van de oceanen over de 20e eeuw zo’n 30% lager kunnen zijn dan tot nu toe werd gedacht. Er is nog wel het nodige voorbehoud te maken bij die schatting. Want het aantal metingen van beneden de 2000 meter dat de resultaten van de modelberekeningen kan bevestigen is en blijft erg klein. En het model heeft ook zo zijn beperkingen. Mogelijke schommelingen in de snelheid van de thermohaliene circulatie, die het gevolg kunnen zijn van temperatuurwisselingen, zitten er bijvoorbeeld niet in. Er zijn aanwijzingen dat die zich in werkelijkheid wel voordoen, maar hoe sterk ze zijn en hoe groot de invloed is op het warmtetransport vanaf het oceaanoppervlak naar de diepte is onbekend.

De gemiddelde temperatuur van de diepe Stille Oceaan is niet heel veel gedaald: tussen de 0,02 en 0,08 °C in meer dan een eeuw, schatten de onderzoekers. De invloed op de totale energie-inhoud van de oceanen kan toch aanzienlijk zijn, omdat het om zo veel water gaat.

Berekend verloop van de gemiddelde temperatuur van (A) het oceaanoppervlak en over de hele diepte van (B) de Stille en (C) de Atlantische oceaan. Temperaturen in B en C zijn weergegeven in honderdsten van een °C. Bron: Gebbie en Huybers

Het kostte me wat moeite om te begrijpen hoe de fysica van de afkoeling van de diepe Stille Oceaan in elkaar zit. Achteraf realiseer ik me dat ik veel te ingewikkeld dacht. Geoffrey Gebbie zette me op het goede spoor met de antwoorden op de vragen die ik hem mailde. De ontnuchterend simpele verklaring: terwijl er in het zuiden koud water de diepe Stille Oceaan in stroomt, komt er verder noordwaarts warmer water, dat tijdens het Middeleeuws Klimaatoptimum naar beneden zonk, naar het oppervlak.

Het onderzoek lijkt me vooral wetenschappelijk interessant. Maar het kan ook wel enige betekenis hebben voor de kennis over de huidige klimaatverandering, zo mailde Geoffrey Gebbie. De verwachting is niet dat de diepe oceaan van invloed is op hoe veel het opwarmt ten gevolge van een versterkt broeikaseffect. Want dat wordt uiteindelijk bepaald door de interactie tussen de temperatuur van het oppervlak en de stralingsbalans aan de top van de atmosfeer. Maar er zou wel wat invloed kunnen zijn op hoe snel het opwarmt. Er komt nu nog relatief warm water, dat voor het laatst daglicht heeft gezien tijdens de warme middeleeuwen, naar boven in de noordelijke Stille Oceaan. Als er in de toekomst iets kouder water uit de Kleine IJstijd naar het oppervlak komt, zou dat de snelheid van de opwarming iets kunnen temperen. Maar dat effect zal beperkt zijn, gezien de beperkte temperatuurverschillen.

Een kleinere toename van de warmte-inhoud van de oceanen zou ook kunnen betekenen dat de boekhouding van de zeespiegelstijging nog eens nagekeken moet worden. Een kleinere stijging van die warmte-inhoud betekent immers ook minder thermische expansie. Maar ook hier geldt dat het effect niet groot zal zijn, omdat koud water een lage expansie-coëfficiënt heeft.

Op het eerste gezicht zouden de resultaten van dit onderzoek in tegenspraak kunnen lijken met die van andere onderzoeken. In werkelijkheid is het aanvullend daarop, in die andere onderzoeken wordt namelijk steeds gewezen op de onzekerheid over de warmte-inhoud van de diepe oceaan. Gebbie en Huybers vullen een stuk van die onzekerheid op een plausibele manier in. Maar dat neemt niet weg dat metingen van temperatuurveranderingen in de diepe oceaan schaars blijven. De onzekerheid die er was is met dit artikel zeker niet in een keer verdwenen.

Advertenties

2 Reacties op “Een Kleine IJstijd op de bodem van de Stille Oceaan

  1. Hans Custers

    Goff Smeets vroeg in het vorige draadje naar visualisaties. Bij de extra informatie van die onderzoek zat een animatie van het gemodelleerde temperatuurverloop in de diepe oceaan over de afgelopen 2000 jaar. Ik heb die animatie (nog?) niet kunnen vinden op Youtube, maar wel in een tweet van een Spaanse radiojournalist (denk ik).

  2. @ Hans Custers,

    Een belangrijk en interessant onderwerp, de opname van stralingswarmte door de oceanen en het transport van het water met deze energie door de zeestromingen.

    Ook de snelheid van de zeestromingen, oppervlakkig en diep, horizontaal en verticaal is dan van groot belang voor de opname en verdeling van de energie in de oceanen, lijkt me. Hierbij wil ik opmerken dat de snelheid van de oppervlakkige zeestromen toch vaak zo groot is dat hij vroeger voor de zeilscheepvaart van groot belang was. Wat betreft de Golfstroom is dit zo’n 2,5 m/sec helemaal aan de oppervlakte, volgens https://en.wikipedia.org/wiki/Gulf_Stream De bodem stromingen zijn aan de oppervlakte stromingen gekoppeld, maar niet de snelheid doch het debiet is dan gekoppeld ( de hoeveelheid water per seconde). In het begin van je artikel staat dat het water dat bij Groenland bezinkt na 1 a 2 millennia weer boven komt en verderop dat nu het water naar boven komt dat in het Middeleeuws klimaat optimum bezonken is, dus na ca 900 jaar. In de diepzee zou dus wellicht een grote spreiding in de snelheid moeten zitten. Die zit in ieder geval ook in de snelheid van de ‘oppervlakte’ stromingen, die ook wel tot meer dan 1000 m diep doorgaan, maar dan bij veel lagere snelheid. Al die snelheidsverschillen en vermenging onderweg zou er, lijkt mij, op wijzen dat je moeilijk meer kan vaststellen: dat water is nu afkomstig van de kleine ijstijd en dat van het middeleeuws klimaat maximum.

    Van belang voor het bezinken van koud water op grote breedte en de continuïteit van de zeestromingen is dat zeewater niet de grootste dichtheid heeft bij 4 graad C, zoals zoet water, maar bij het vriespunt.

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s