We weten allemaal dat er door afsmelting van ijskappen meer water in de oceanen komt wanneer het warmer wordt op aarde. En dat daardoor de zeespiegel stijgt. Maar wat gebeurt er eigenlijk ónder het wateroppervlak? Kun je daar ook iets merken van klimaatverandering?

Caroline Katsman van de TU Delft geeft antwoord. Zij is hoofddocent fysische oceanografie en onderzoekt oceaanstromingen en hun rol voor het klimaat.

Welk effect heeft klimaatverandering op de oceanen?

Katsman: 70 procent van het aardoppervlak bestaat uit oceanen. Dat betekent dat de atmosfeer en het zeewater over enorme gebieden in direct contact staan. Ze beïnvloeden elkaar dan ook sterk. Zo worden stromingen in de oceaan vooral veroorzaakt door de atmosfeer, bijvoorbeeld door de wind. Door klimaatverandering kunnen deze oceaanstromingen veranderen.

Momenteel bufferen de oceanen nog veel gevolgen van klimaatverandering. Op termijn kan dit omdraaien, en kunnen wij ook klimaateffecten van veranderingen in de oceanen gaan merken.

Dit gaat langs verschillende routes: ten eerste nemen de oceanen CO2 op uit de atmosfeer. Momenteel belandt zo’n 40 procent van de uitstoot van fossiele brandstoffen in de oceanen, waar het CO2 reageert met water tot H2CO3, beter bekend als ‘koolzuur’ – een zwak zuur. Als gevolg wordt het oceaanwater meetbaar zuurder: de pH-waarde is wereldwijd al ongeveer 0,1 pH gedaald. Deze oceaanverzuring heeft gevolgen voor koraal, vissen en plankton. In zuurder water hebben deze organismen mogelijk meer moeite om hun schaaltjes en skeletten van kalk te maken. Gespecialiseerde ecologen doen hier onderzoek naar.

Naast CO2 nemen de oceanen ook veel warmte op uit de atmosfeer: bijna 95 procent van de extra warmte die broeikasgassen vasthouden in de atmosfeer, 'verdwijnt' in het water. Daardoor stijgt niet alleen de temperatuur in de atmosfeer, maar worden óók de oceanen warmer. Omdat de oceanen veel massa hebben, gaat de stijging van de gemiddelde watertemperatuur wel langzamer dan de stijging van de gemiddelde luchttemperatuur.

Door de oplopende concentratie broeikasgassen stijgt niet alleen de temperatuur van de atmosfeer, ook de oceanen worden meetbaar warmer. Deze grafiek laat de toename van warmte in de bovenste 700 meter van het oceaanwater zien. Omdat de oceanen een grote massa hebben, verloopt deze opwarming trager dan in de atmosfeer. (Bron: NOAA)

Het is maar goed ook dat de oceanen zo veel van de warmte van de gestegen concentratie broeikasgassen opnemen. Als al deze extra hitte in de atmosfeer was gebleven, zou de luchttemperatuur gigantisch zijn gestegen. Het zou de afgelopen vijftig jaar grofweg 25 graden warmer zijn geworden. Onze oceanen zijn dus onmisbaar om het aardse klimaat leefbaar en stabiel te houden.

Toch moeten we ons niet te makkelijk rijk rekenen. De bufferwerking van de oceanen kan namelijk afnemen. Zo kan de CO2-opname afnemen door verzadiging. En de opwarming van het zeewater heeft ook allerlei gevolgen voor de oceanen zelf, bijvoorbeeld voor de stromingen. Die oceaanstromingen spelen nu een grote rol in de verdeling van warmte over de planeet. Ze voeren warm water uit de tropen richting de polen. Dat water geeft die warmte af aan koudere lucht op hoge breedtegraden. In combinatie met westenwinden is dit de reden waarom wij in Nederland een mild klimaat hebben.

Afnemende en stilvallende grote stromingen door klimaatverandering

Ook wereldwijd zijn oceaanstromingen belangrijk om temperatuurverschillen beperkt te houden. Maar door klimaatverandering kunnen deze grote stromingen afnemen of zelfs stilvallen.

Dat komt doordat de stromingen voor een belangrijk deel aangedreven worden door temperatuurverschillen. Rond de polen koelt het oceaanwater af in de koude lucht. En omdat koud water een grotere dichtheid heeft dan warm water, zinkt het oceaanwater hier naar kilometers diepte. In de tropen gebeurt het omgekeerde: het water warmt op, zet uit, wordt dus lichter en wil aan het oppervlak drijven. Zo ontstaat een circulatie. De Warme Golfstroom in de Atlantische Oceaan is een onderdeel van deze circulatie. Door de opwarming van de atmosfeer op hoge breedtegraden koelt het water minder af, waardoor deze temperatuuraandrijving zwakker wordt.

Tegelijk wordt een rem op de oceaanstromingen juist krachtiger. Die werkt via verschillen in zoutgehalte. Hoe zouter het oceaanwater, hoe zwaarder. Extra zout water zinkt dus naar de bodem, terwijl relatief zoet water juist wil drijven.

Door klimaatverandering wordt het water juist in de tropen zouter (en dus zwaarder). Dat komt door een sterke toename van de verdamping. En rond de polen wordt het juist zoeter (en dus lichter). Dit komt door extra zoet smeltwater en regen. Deze kracht werkt dus in de omgekeerde richting.

Oceaanstromen kunnen stilvallen of omkeren

Wanneer de tegengestelde kracht door zoutverschillen groter wordt dan de motor van de temperatuur, kunnen de oceaanstromingen zelfs volledig stilvallen – of omkeren. We weten uit het aardse verleden dat dit kan gebeuren, maar het is niet goed bekend hoe gevoelig deze schakelaar is afgesteld.

En die onzekerheid is misschien wel extra zorgwekkend. We zien nu al dat de Atlantische Golfstroom iets zwakker wordt. Als de klimaatverandering in de verdere eeuw steeds sterker wordt, kan het geheel van de oceaanstromingen stilvallen. En dat is dan een onomkeerbare verandering. Het is niet mogelijk de oceaanstromingen zomaar weer op te starten.

Dat heeft dan grote gevolgen. Met name in Europa kan het klimaat sterk veranderen als de oceaanstromingen stilvallen – bijvoorbeeld met een toename van extreem weer en droge oostenwinden. En hoewel het bij ons dan kouder kan worden, gaat de temperatuur elders op de planeet dan nog sneller omhoog, bijvoorbeeld in de (sub)tropen waar steeds meer warmte ophoopt.

En als de CO2-toename ondertussen niet stopt, gaat de stijging van de wereldgemiddelde temperatuur gewoon door. Die onderliggende klimaatverandering kan dan zelfs versnellen. Want als de oceaanstromingen stagneren, neemt ook de opname van CO2 en warmte af, zodat daar meer van in de atmosfeer blijft.

De oceanen zijn dus heel belangrijk voor het klimaat. Ze helpen het aardse klimaatsysteem stabiel te houden. Maar als ze zelf verstoord raken als gevolg van klimaatverandering, kunnen de oceanen op hun beurt ook verdere klimaatveranderingen veroorzaken.

Oceaanstromingen zijn van groot belang voor een evenwichtige verdeling van warmte en kou over de planeet, en zijn van grote invloed op het klimaat in Nederland. Ook dragen ze bij aan de opname van CO2 en warmte, waardoor ze een deel van de effecten van onze uitstoot bufferen. Door klimaatverandering kan dit proces verstoord raken. (Bron: NASA GISS)

Hoe weten we dit eigenlijk?

De oceanografie is een relatief jonge wetenschap. Een doorbraak kwam er toen onderzoekers in de jaren vijftig en zestig ontdekten dat er niet alleen warme stromingen over het oppervlak van de oceanen gaan, maar dat er ook koude stromingen op kilometers diepte lopen. Het bestaan van deze onderstromen werd eerst getheoretiseerd, en kon daarna met gerichte metingen worden bewezen. Er werd toen nog alleen vanaf onderzoeksschepen gemeten.

Tegenwoordig zijn er geavanceerdere meetmethoden. Zo beschikken we over een wereldwijd netwerk van ‘Argo floats’ – ronddrijvende boeien die zichzelf kunnen opblazen en weer laten leeglopen en zo op een neer gaan tussen het wateroppervlak en diepere oceaanlagen. Ondertussen verrichten deze boeien allerlei metingen, bijvoorbeeld van het zoutgehalte en de temperatuur, maar ook de zuurgraad van het water en zelfs de hoeveelheid plankton. Wanneer ze weer boven komen drijven, verzenden ze al deze meetgegevens. Hierdoor weten we dat als gevolg van de stijgende concentratie broeikasgassen niet alleen de luchttemperatuur stijgt, maar dat ook de oceanen langzaam opwarmen.

Satellieten ingezet voor oceaanonderzoek

Het is ook mogelijk om recente veranderingen te vergelijken met het verdere verleden. Dit doen ‘paleo-oceanografen’, zoals Appy Sluijs van de Universiteit Utrecht, die eerder in deze serie vertelde over klimaatveranderingen uit het verleden. Paleo-oceanografen kunnen op basis van fossielenonderzoek onder meer de temperatuur van het oceaanwater uit het verleden reconstrueren.

Satellieten zijn tegenwoordig ook van groot belang voor oceaanonderzoek. Deze kunnen heel nauwkeurig hoogteverschillen in het wateroppervlak registreren. Die kleine hoogteverschillen vertellen ons hoe waterstromingen aan het oppervlak precies lopen.

Deze satellieten brengen nog een ander gevolg van klimaatverandering nauwkeurig in kaart: zeespiegelstijging. Dat komt volgende week aan bod in deze serie.

Deze vraag is onderdeel van een speciale serie klimaatvragen van NU.nl. Heb jij ook een klimaatvraag die je graag door een klimaatonderzoeker wil laten beantwoorden? Stel deze dan in de NUjij-comments.