Ontstaan van oceaanstromingen
Oceaanstromingen worden aangedreven door de atmosfeer. De passaatwinden brengen het water in beweging, maar ook opwarming, afkoeling, neerslag en verdamping spelen een rol. Die processen veranderen de temperatuur en het zoutgehalte, en daarmee het soortelijk gewicht (de dichtheid) van het oceaanwater aan de oppervlakte. Op hun beurt zorgen verschillen in dichtheid voor drukverschillen, en daarmee voor beweging. De wind drijft (indirect) stromingen aan tot ongeveer een kilometer diepte. Dieper in de oceaan bestaan alleen zogenaamde thermohalien gedreven stromingen (thermo = temperatuur; halien = zoutgehalte).
Wat oceanografen de Warme Golfstroom noemen is een voornamelijk windgedreven stroming die vanuit de Golf van Mexico (vandaar de naam) oversteekt richting Europa. Verder oostwaarts verandert de naam in de Noord-Atlantische Stroming. Eenmaal aan de overkant slaat een gedeelte van deze stroming af naar het zuiden als de Canarische Stroom. Die vervolgt zijn weg westwaarts net ten noorden van de evenaar als de Noord Equatoriale Stroom en belandt uiteindelijk weer in de Golf van Mexico. De uitloper van de Noord-Atlantische Stroming die naar het noorden afbuigt, de Noord-Atlantische Drift, is van belang voor dit verhaal.
Wanneer je een kaart bekijkt van de gemiddelde temperatuur op Aarde (Figuur 1) valt op dat de westkant van Canada, dat op dezelfde breedtegraad ligt als Nederland, toch een veel kouder klimaat heeft. Dat komt omdat de Noord-Atlantische Drift warm oceaanwater van de evenaar richting hoge breedtegraden transporteert. In de Stille Oceaan bestaat geen vergelijkbare uitloper van de windgedreven stroming naar het noorden. De transportband van warmte in de Atlantische Oceaan fungeert als West-Europa’s natuurlijke warmtepomp.
Figuur 1: Jaarlijks gemiddelde van de temperatuur op Aarde. Bron: Robert A. Rohde, Wikimedia Commons.
Twee stromingspatronen in competitie
Wanneer we de wind buiten beschouwing laten en alleen kijken naar de thermohaliene circulatie, is het eenvoudig in te zien dat variaties in temperatuur aan het oceaanoppervlak zorgen voor een ander stromingspatroon dan variaties in zoutgehalte.
Temperatuurverschillen leiden tot een stroming van de tropen naar hoge breedtegraden aan het oppervlak (Figuur 2 - links). Op hoge breedtes is het water kouder dan in de tropen. Koud water heeft een hogere dichtheid dan warm water, en dus zinkt het koude water bij de polen de diepe oceaan in. In de diepzee ontstaat een koude stroming van pool naar evenaar, en het tropisch warme water stroomt noordwaarts aan het oppervlak ter compensatie.
Wanneer de stroming alleen door zoutverschillen bepaald zou worden, zou er een stroming in omgekeerde richting ontstaan (Figuur 2 -rechts). Het water bij de evenaar is relatief zout omdat daar veel water verdampt. Op hogere breedtes valt netto meer neerslag dan dat er water verdampt, en is de oceaan minder zout. Zout water heeft een hogere dichtheid dan zoet water, en dus zakt in dit voorbeeld het water juist in de tropen naar de diepte. Aan het oppervlak ontstaat een stroming van pool richting de tropen.
Uiteindelijk worden de richting en sterkte van de thermohaliene circulatie bepaald door de onderlinge verhouding tussen de drijvende krachten van temperatuurverschillen en zoutverschillen. De temperatuurverschillen hebben in het huidige klimaat de overhand: er een warme stroming richting het noorden. Onderweg geeft het oceaanwater zijn warmte af aan de atmosfeer, waarna het zinkt en terugstroomt naar het zuiden. Die warmteoverdracht van oceaan naar atmosfeer, in combinatie met overheersende westenwinden, zorgt voor een relatief mild klimaat in West-Europa.
Figuur 2: Illustratie van de thermohaliene oceaancirculatie als functie van breedtegraad en diepte, aangedreven door (links) alleen temperatuurverschillen of (rechts) alleen zoutverschillen aan het oppervlak. De windgedreven circulatie is hier buiten beschouwing gelaten. © C.A. Katsman; TU Delft
Effecten van klimaatverandering
In een opwarmend klimaat neemt de drijvende kracht die ontstaat door de zoutverschillen toe, en neemt die van de temperatuurverschillen af. Door het smelten van de Groenlandse ijskap en het zee-ijs in het Noordpoolgebied wordt het water op hogere breedtes minder zout. De verdamping in de tropen wordt sterker, en samen zorgt dit voor grotere zoutverschillen. Tegelijkertijd warmt de atmosfeer, en dus ook de oceaan, harder op in de buurt van de polen dan bij de evenaar. Het temperatuurverschil tussen de tropen en de pool wordt dus kleiner. Netto zorgt dit ervoor dat de huidige, temperatuur-gedreven stroming steeds zwakker wordt, en mogelijk zelfs omslaat naar een zout-gedomineerde stroming. Daarmee verzwakt of stokt ook de transportband van warmte richting West-Europa.
Op het eerste gezicht lijkt het misschien gunstig wanneer de veranderingen in de oceaanstromingen de opwarming door broeikasgassen temperen. Maar deze stromingsveranderingen leiden tot een andere verdeling van de warmte over de aarde: West-Europa koelt af, maar andere regio’s worden juist warmer, en tot grote veranderingen in neerslagpatronen over de wereld. Wanneer broeikasgassen blijven toenemen zet de klimaatopwarming op termijn weer door, ook in West-Europa.
Zeespiegelstijging
Voor Nederland is er nog een nadelig bijkomend effect van een dergelijke verandering in oceaanstromingen: regionale zeespiegelstijging. De zeespiegel is helemaal niet vlak als een spiegel, maar vertoont heuvels en dalen. En net als in de atmosfeer, waar de wind om hoge- en lagedrukgebieden heen waait, stroomt de oceaan om deze heuvels en dalen in zeeniveau heen. Stromingsveranderingen zijn daarom onlosmakelijk verbonden met kantelingen van de zeespiegel. Op dit moment is het zeeniveau in de Noord-Atlantische Oceaan ongeveer 1,5 meter lager dan in de tropen (Figuur 3), onder meer door het bestaan van de temperatuur-gedreven thermohaliene circulatie. Wanneer deze circulatie verzwakt of stokt kantelt het zeeoppervlak omhoog op hogere breedtegraden en omlaag bij de tropen.
Figuur 3: Variaties in gemiddeld zeeniveau over de Atlantische Oceaan (in centimeters). Bron: http://blogs.nature.com/news/2011/03/goce_mission_reveals_the_true.html
Sterkte thermohaliene circulatie - nu en in de toekomst
Het monitoren van de sterkte van de thermohaliene transportband is geen simpele opgave; dit vereist continue metingen over de hele diepte en breedte van de oceaan. Dit gebeurt pas sinds 2004, op 26N (de breedtegraad van Florida) [1]. Sinds 2014 is daar nog een tweede set meetlocaties aan toegevoegd, op 53-60N [2]. Over deze periode laten deze metingen een afname in sterkte zien. Tot 2013-2015 was die afname heel duidelijk, maar recent blijft de sterkte vrijwel constant. Verder laten de metingen zien dat de sterkte van de stroming op tijdschalen van maanden tot jaren sterk fluctueert. Al met al is de meetreeks is nog te kort om hier heel stellige conclusies aan te kunnen verbinden.
De nieuwste klimaatmodellen voorspellen voor het eind van de 21e eeuw een afname in de sterkte van de thermohaliene circulatie met 35-45% [3]. Dit correspondeert met een regionale zeespiegelstijging in het noordoosten van de Atlantische Oceaan van 10-15 centimeter [4].