Achtergrond

Op zoek naar de “verdwenen warmte” in de bovenlaag van de oceaan

Tegen de verwachtingen in is de bovenlaag van de oceaan (van 0 tot 700 meter diepte) niet meer opgewarmd sinds 2003. Een KNMI-studie maakt echter duidelijk dat dit geen zeldzaamheid is.

Het kan verklaard worden door natuurlijke variaties in het klimaat, in het bijzonder door de klimaatschommeling El Niño in de Stille Oceaan en door veranderingen in de oceaanstromingen in de Noord-Atlantische Oceaan. Recente waarnemingen hiervan wijzen op een spoedige terugkeer van de opwarming van de bovenlaag van de oceaan. 

Metingen van de zeewatertemperatuur laten zien dat de bovenlaag van de oceaan niet meer is opgewarmd sinds 2003. Dit is opmerkelijk, omdat de algemene verwachting is dat verreweg het grootste deel van de extra warmte die de aarde vast houdt als gevolg van het versterkte broeikaseffect wordt opgeslagen in de oceaan. Deze waarneming roept daarom twee fundamentele vragen op: 

  1. Hoe groot is de kans dat de opwarming van de bovenlaag acht jaar lang stagneert terwijl de hoeveelheid broeikasgassen blijft stijgen
  2. Als de warmte niet is opgeslagen in de bovenlaag de afgelopen jaren, waar is deze dan gebleven?

Deze vragen kunnen niet beantwoord worden aan de hand van metingen, omdat de beschikbare tijdreeksen te kort zijn en de gegevens te onzeker. Er is daarom gebruik gemaakt van berekeningen uitgevoerd door het KNMI en de Universiteit Utrecht in het kader van het ESSENCE project. Hierin werden het klimaat 17 keer gesimuleerd met een state-of-the-art klimaatmodel om het verschil tussen de effecten van broeikasgassen en de natuurlijke variaties van het klimaat goed te kunnen onderscheiden. Het gebruikte model, ECHAM5/MPI-OM, beschrijft het waargenomen gedrag van de temperatuur van de oceaan goed.

ARGO boei
ARGO boei

Achtjarige trends in warmteopslag

De temperatuur van de oceaan wordt sinds de jaren zestig tot een paar honderd meter diepte gemeten. Vroeger gebeurde dat met weggooi-thermometers die overboord gegooid werden, sinds een jaar of tien met volledig geautomatiseerde boeien die zelfstandig tot 2000 meter diepte duiken en dan de meetgegevens via de satelliettelefoon doorbellen. Uit deze ruwe meetgegevens wordt de volledige temperatuurverdeling tot 700 meter gereconstrueerd, waarbij de temperatuur op plekken zonder thermometers zo goed mogelijk uit de dichtstbijzijnde metingen wordt geschat. Uit deze temperatuurverdeling kan met behulp van de warmtecapaciteit van water de hoeveelheid warmte worden uitgerekend die in de oceaan is opgeslagen.

Over de afgelopen tientallen jaren is de hoeveelheid warmte die is opgeslagen in deze bovenlaag van de oceaan gemiddeld toegenomen, maar het tempo waarmee dit gebeurt vertoont grote variaties (Figuur 1). De modelberekeningen laten een vergelijkbaar verloop zien. In de 17 verschillende modelberekeningen was de achtjarige trend in warmteopslag tussen 1969 en 1999 zelfs 11% van de tijd negatief (de oceaan koelde over die acht jaar dan gemiddeld af). Tussen 1990 en 2020 was dit volgens nog 3% van de tijd het geval. Hieruit kan worden berekend dat de kans op minstens één periode van acht jaar zonder opwarming in deze 31 jaar rond 2005 ongeveer een op drie is. Een stagnatie van de warmteopname over een periode van acht jaar is dus niet ongebruikelijk, zelfs nu de aarde in zijn geheel opwarmt.

Figuur 1: Toename van de hoeveelheid warmte opgeslagen in de bovenlaag van de oceaan. Drie verschillende analyses van de metingen zijn in blauw weergegeven. De metingen van voor 1970 zijn minder betrouwbaar. Het verloop is 17 keer nagebootst met een klima
Figuur 1: Toename van de hoeveelheid warmte opgeslagen in de bovenlaag van de oceaan. Drie verschillende analyses van de metingen zijn in blauw weergegeven. De metingen van voor 1970 zijn minder betrouwbaar. Het verloop is 17 keer nagebootst met een klima

Waar blijft de warmte?

De hoeveelheid CO2 en andere broeikasgassen in de lucht neemt gestaag toe. Hierdoor straalt de aarde gemiddeld minder warmtestraling uit dan er zonnestraling wordt ingevangen. Het grootste gedeelte van deze extra energie wordt door de oceaan opgenomen, die hierdoor langzaam opwarmt. Als de bovenlaag van de oceaan een aantal jaar niet opwarmt moet deze warmte ergens anders naar toe gaan. Hoewel de oceaantemperatuur slechts 0,02 ºC minder gestegen is dan verwacht gaat het om een grote hoeveelheid warmte: de oceaan is groot en water kan veel warmte opnemen.

Als met deze `verdwenen warmte' de lucht zou zijn opgewarmd, zou het de afgelopen acht jaar wel vijf graden warmer geworden zijn. Dit is duidelijk niet gebeurd, dus daar is de warmte niet opgeslagen. De bodem zou ongeveer anderhalve graad opgewarmd zijn, ook dat is niet waargenomen en dus is de warmte niet de bodem in verdwenen. Ook als de warmte opgenomen zou zijn door land- of zee-ijs zou dit grote gevolgen gehad hebben die we niet gezien hebben, bijvoorbeeld een zeespiegelstijging van 20 cm door het afsmelten van landijs.

Er blijven maar twee mogelijkheden over: tijdens periodes waarin de bovenlaag van de oceaan niet opwarmt straalt de aarde meer energie uit naar de ruimte of de warmteopslag in de diepere lagen van de oceaan (beneden 700 meter) neemt tijdelijk toe. Beide mogelijkheden blijken een rol te spelen.

Meer uitstraling naar de ruimte

De extra uitstraling naar de ruimte is het gevolg van meer wolken die zonlicht terugkaatsen en extra warmteverlies door warmtestraling. Dit gebeurt voornamelijk boven de Stille Oceaan en is gerelateerd aan de afwisseling van El Niño en La Niña periodes. El Niño is een opwarming van het zeewater langs de evenaar van de Stille Oceaan, La Niña het tegenovergestelde, een afkoeling van dit zeewater. De twee wisselen elkaar van nature heel onregelmatig af. Tijdens en kort na El Niño is de oceaan warmer dan normaal (Figuur 2). Dit zorgt voor extra warmte-uitstraling naar de lucht, en uiteindelijk in warmteverlies voor de oceaan. De lucht kan deze warmte niet lang vasthouden en straalt het naar de ruimte uit. Tijdens en kort na La Niña warmt de oceaan juist op. Als El Niño en La Niña elkaar regelmatig afwisselen is er geen netto effect op het warmtebudget, maar een reeks van El Niño periodes achter elkaar kan een behoorlijk warmteverlies van de oceaan naar de ruimte veroorzaken. 

Figuur 2: Gemiddelde temperatuurafwijking van de oceaan 3 maanden na een El Niño periode van 1 ºC (NCDC ERSST V3b waarnemingen). De oceaan koelt weer af door uitstraling en verliest zo warmte.
Figuur 2: Gemiddelde temperatuurafwijking van de oceaan 3 maanden na een El Niño periode van 1 ºC (NCDC ERSST V3b waarnemingen). De oceaan koelt weer af door uitstraling en verliest zo warmte.

Opwarming dieper in de oceaan

In tijden dat de bovenlaag van de oceaan niet opwarmt blijkt de temperatuur dieper in de oceaan juist toe te nemen, vooral in de Noord Atlantische Oceaan ten zuiden van Groenland. In dit gebied koelt het oppervlaktewater elke winter sterk af door koude wind uit Canada. Als het daardoor zwaarder wordt dan het iets warmere maar zoutere water dieper in de oceaan zakt het naar beneden en komt dat warmere water naar boven. De diepe oceaan koelt daardoor af. Wanneer er een winter juist weinig menging is blijft de bovenlaag van de oceaan relatief koud en de diepere lagen relatief warm.

Deze menging is verbonden met de oceaanstromingen die veel warmte naar het noorden vervoeren, de Atlantic Meridional Overturning Circulation (ook wel “de transportband van de oceaan” genoemd, vanwege zijn grote rol voor het warmtetransport in de oceaan). Als deze zwak is warmt de diepe oceaan, tussen één en twee kilometer diepte, op maar koelt de bovenlaag van de oceaan juist af (Figuur 3). 

Figuur 3: Het patroon van de afname van de warmte-inhoud van de bovenlaag van de oceaan twee jaar na een afname van de Atlantic Meridional Overturning Circulation in het klimaatmodel (ECHAM5/MPI-OM).
Figuur 3: Het patroon van de afname van de warmte-inhoud van de bovenlaag van de oceaan twee jaar na een afname van de Atlantic Meridional Overturning Circulation in het klimaatmodel (ECHAM5/MPI-OM).

Wat is er de afgelopen acht jaar gebeurd?

Tussen 2002 en 2007 hebben we een serie grotere en kleinere El Niño periodes meegemaakt. Daardoor is de bovenlaag van de oceaan waarschijnlijk afgekoeld. Tegelijkertijd was er veel minder verticale warmte-uitwisseling in de Labrador Zee, tussen Canada en Groenland, waardoor de diepere oceaan is opgewarmd ten koste van de bovenlaag. De metingen van de temperatuur tot 2000 meter diepte die sinds 2001 beschikbaar zijn laten inderdaad een duidelijke stijging zien, al is de meetreeks te kort om te kunnen zeggen hoeveel hiervan de langjarige trend is en hoeveel toegeschreven moet worden aan toevallige afwijkingen hiervan.

De combinatie van deze twee toevallige klimaatschommelingen heeft er aan bijgedragen dat de bovenlaag van de oceaan in de periode 2003-2008 niet is opgewarmd.

Andere factoren die in het klimaatmodel niet bestudeerd kunnen worden zijn de invloed van het lage aantal zonnevlekken de laatste jaren en de luchtvervuiling uit Oost-Azië. Uit andere metingen blijkt dat het gebrek aan zonnevlekken maximaal 10% heeft bijgedragen en de invloed van de luchtvervuiling hierop wordt ook niet heel groot ingeschat.

Gevolgen voor de komende jaren

Inmiddels heeft El Niño de laatste jaren plaats gemaakt voor de tegenhanger La Niña en is de warmte-uitwisseling in de Labrador-zee weer op gang gekomen. We verwachten dan ook dat de hoeveelheid warmte in de bovenlaag van de wereldzeeën de komende jaren weer gaat stijgen.

Conclusies

De warmte-inhoud van de oceaan is in theorie een goede aanwijzing voor het versterkte broeikaseffect, omdat de warmte die hierdoor wordt vastgehouden nergens anders heen kan. De praktijk is zoals zo vaak weerbarstiger. Ten eerste is de temperatuur van de oceaan niet goed gemeten. Van de diepere oceaan, onder de 700 meter diepte, zijn vóór 2001 te weinig gegevens beschikbaar om de hoeveelheid warmte goed te kunnen berekenen. Uit deze studie blijkt dat soms een sterkere opwarming van de diepere oceaan een langzamere opwarming van de bovenlaag compenseert. Dit is voor een groot gedeelte gekoppeld aan de verticale warmte-uitwisseling in de Noord-Atlantische Oceaan. Ten tweede zijn er natuurlijke variaties in de hoeveelheid warmte die de aarde naar de ruimte uitstraalt. Deze zijn in ons model grotendeels verbonden aan El Niño en La Niña, een klimaatschommeling in de Stille Oceaan waarvan bekend is dat die de warmtebalans van de aarde beïnvloedt. Vanwege deze natuurlijke variaties is een trend in warmte-inhoud over een beperkt aantal jaren geen goede indicator voor het versterkte broeikaseffect. De langjarige trend is dat wel. 

Literatuur

  • C. A. Katsman en G. J. van Oldenborgh, Tracing the upper ocean’s “missing heat”, Geoph. Res. Lett, in press, doi:10.1029/2011GL048417.
  • M. D. Palmer, D. J. McNeall and N. J. Dunstone, Importance of the deep ocean for estimating decadal changes in Earth’s radiation balance, Geoph. Res. Lett, in press, doi:10.1029/2011GL047835
Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen