Lucht-zee Wisselwerking Wiebe Oost

Wind, golven en hun relatie.

De meeste golven op het water ontstaan door de wind. Dat is bekend. Maar hoe dat precies in z'n werk gaat is nog altijd niet geheel duidelijk. Er is de laatste tientallen jaren grote vooruitgang geboekt op dit terrein van onderzoek en de afdeling Oceanografisch Onderzoek (OO) van het KNMI heeft daarin een belangrijke rol gespeeld, met name bij het ontwikkelen van het thans wereldwijd voor golfverwachtingen gebruikte WAM model (waarover een andere keer!), maar er is een fundamentele onzekerheid gebleven. Die onzekerheid heeft gevolgen voor de nauwkeurigheid waarmee golfverwachtingen kunnen worden gemaakt. Die verwachtingen zijn van belang voor de zeevaart, maar ook voor de kustverdediging. Om meer inzicht te krijgen wat er precies gebeurt als wind en water op elkaar inwerken doet het KNMI daarom naast de modelontwikkeling ook experimenteel onderzoek naar wat zich vlak boven het wateroppervlak afspeelt. Dit wordt uitgevoerd door de groep Lucht-Zee wisselwerking (LZWW) van OO.

Voor dit soort onderzoek is soms speciale apparatuur nodig, die niet commerciëel verkrijgbaar is en daarom zelf ontwikkeld moet worden. Zo heeft de LZWW groep o.m. een speciale windmeter ontworpen en gebouwd die vlak boven een zeeoppervlak met rondvliegend schuim nog steeds betrouwbaar werkt. Dit instrument, de drukanemometer, heeft geen bewegende delen en kan dus ook niet vastlopen. Het wordt al jaren met succes gebruikt bij internationale meteorologische en oceanografische experimenten die veelal plaatsvinden op het onderzoekstation Meetpost Noordwijk van Rijkswaterstaat, een platform op 9 km van de kust. De drukanemometer meet daarbij zo'n 20 keer per seconde zowel windsnelheid als windrichting. Die hoge meetfrequentie is nodig om uit de metingen nauwkeurig de energie ("impuls") stroom van en naar de golven te kunnen bepalen.

Tot nu toe werd de drukanemometer gemonteerd aan het uiteinde van een 21m lange uithouder. Die lengte is nodig om geen last te hebben van de verstoring van de wind door het platform. Maar met een dergelijke opstelling worden de metingen altijd boven de toppen van de golven gedaan. Om dichter bij het wateroppervlak te komen, waar wind en golven het duidelijkst laten zien hoe ze met elkaar samenwerken, is nu een zgn. wave-follower ontwikkeld, een verticale staaf, die, aangedreven door een sterke electromotor en gestuurd door een sensor in het water, steeds dezelfde hoogte ten opzichte van het momentane wateroppervlak houdt. Door daar instrumenten aan vast te maken kunnen vlak boven het water metingen worden uitgevoerd (tot 10 cm "laagte" toe) - ook als de golven aanzienlijk hoger zijn. De drukanemometer is het enige instrument ter wereld dat daar dan ook nog gedurende langere tijd betrouwbaar de wind kan meten.

Klimaat en broeikasgassen

De zee is ook van groot belang voor het klimaat. We leren op school dat Nederland een gematigd klimaat heeft, dank zij de invloed van de zee die als een vliegwiel werkt en voorkomt dat de winters erg koud en de zomers erg heet worden. Om dat voor elkaar te krijgen moeten lucht en water energie uitwisselen in de vorm van warmte en, vooral, in de vorm van waterdamp (waterdamp is een heel efficiente drager van zgn. latente warmte, die vrij komt wanneer waterdamp weer tot water condenseert). Ook op dit terrein van energie uitwisseling tussen lucht en zee is nog veel onzekerheid en ook daar levert LZWW al sedert een tiental jaren in internationaal verband bijdragen aan meer begrip van wat er gebeurt.

Wie tegenwoordig over klimaat spreekt, spreekt echter al gauw over het broeikas probleem. Zeeën en oceanen spelen ook daarin een cruciale rol. In de eerste plaats natuurlijk omdat ze bronnen zijn van het broeikasgas met de meeste invloed, waterdamp. Van een toename van waterdamp op zichzelf zal het klimaat echter niet zo snel veranderen: waterdamp blijft maar een paar dagen in de atmosfeer, waarna het via regen en andere vormen van neerslag weer uit die atmosfeer verdwijnt. Veel belangrijker is de toename van koolzuurgas (kooldioxide, CO₂) in onze atmosfeer, want dat blijft in principe honderd jaar of langer hangen en kan zo het klimaat veel sterker en ingrijpender beïnvloeden.

Als we de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer zouden willen beperken, dan vinden we de oceanen aan onze zijde. Dat blijkt uit de onderstaande tabel, waarin de jaarlijks gemiddelde koolstof balans voor de periode 1980 tot 1989 gegeven wordt, voor zover deze menselijke activiteiten betreft. De bronnen en putten en de opslag in de atmosfeer zijn uitgedrukt in milliarden tonnen koolstof (GtC, Gigatonnen koolstof) per jaar. De tabel is ontleend aan het IPCC rapport van 1995 (Houghton et al., 1995).

De oceanen gedragen zich als onze goede vrienden door elk jaar zo'n twee milliard ton koolstof op te nemen uit de atmosfeer. Zouden ze daar mee stoppen, dan zou het broeikas effect zo'n anderhalf keer zo snel toenemen. Maar aan de 0.8 na het teken bij punt (5) kun je ook zien dat we niet precies weten hoeveel CO₂ de oceanen opslobberen: de cijfers betekenen dat dat ergens tussen de 1.2 en 2.8 GtC per jaar zou moeten liggen, een verschil van meer dan een factor twee! En dan hebben we het nog niet over punt (7), de "resterende opname", een restpost die aangeeft dat er zo'n 1.3 GtC per jaar (met een onzekerheid van 1.5 GtC!) verdwijnt zonder dat we weten waar het blijft. En dat zou ook nog wel eens voor een belangrijk deel naar de oceanen kunnen zijn....

Figuur 5. De toename van het koolzuur gehalte van de atmosfeer in de loop van de tijd. Ontleend aan Houghton et al. 1995.

De LZWW groep houdt zich ook intensief bezig met deze aspecten van het klimaatprobleem. Als we willen weten hoe snel de kooldioxide concentratie in de atmosfeer toeneemt moeten we weten hoeveel er in de oceanen verdwijnt - en dus: wat er aan het wateroppervlak met dit gas gebeurt. De LZWW groep heeft daarvoor al enkele malen in internationaal verband met succes meetcampagnes georganiseerd en uitgevoerd, daarbij onder meer gebruik makend van een op het KNMI ontwikkeld meetinstrument voor kooldioxide dat tot de gevoeligste ter wereld behoort. Deze experimenten werden steeds uitgevoerd op en rond de al genoemde Meetpost Noordwijk van Rijkswaterstaat. Aan het laatste grote experiment dat tot nu toe door het KNMI voor dit onderzoek werd georganiseerd en dat de naam ASGAMAGE draagt (zie de betreffende website voor meer informatie!) deden onderzoekers van 11 instituten uit de Verenigde Staten, Canada, Ierland, het Verenigd Koninkrijk, Denemarken, Duitsland en, uiteraard, Nederland mee. Ook dit onderzoek, dat financiëel door de EU werd en wordt ondersteund, heeft weer nieuwe inzichten opgeleverd. Het probleem is echter nog niet bevredigend opgelost. Dus we gaan verder...

Referentie:

Houghton, J.T., L.G. Meira Fihlo, B.A. Callander, N. Harris, A. Kattenberg and K. Maskell (Eds.), 1995: Climate change 1995 - The science of climate change: Contribution of working group I to the second assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge.