Wat is de rol van de oceanen in het klimaatsysteem?

Oceanen en de recente klimaatopwarming

Door de toename in broeikasgassen in de atmosfeer, door menselijke uitstoot van met name koolstofdioxide (CO₂) en methaan (CH₄), wordt er extra warmte vastgehouden in het klimaatsysteem. Dat deze opwarming nog redelijk beperkt is gebleven (gemiddeld 1,1 graden Celsius sinds 1850) hebben we te danken aan de oceanen. Meer dan 90% van alle extra warmte die veroorzaakt is door menselijke broeikasuitstoot, is de oceanen ingegaan. Hier zien we dus weer de rol van de oceanen, die ervoor zorgen dat de aarde een soort ‘mondiaal zeeklimaat’ heeft: ook bij klimaatverandering dempen de oceanen de opwarming van de atmosfeer.

Behalve warmte hebben de oceanen ook ruim 25% van de menselijk uitstoot aan CO₂ opgenomen. Het merendeel van deze CO₂-opname wordt veroorzaakt door fotosynthese door fytoplankton, op dezelfde manier als planten en bomen CO₂ omzetten in zuurstof en hierbij koolstof opslaan. Daarnaast lost ook een deel van het CO₂ direct op in de oceanen, wat tot verzuring leidt: het zeewater verandert iets meer in sodawater. Dit heeft weer een reeks gevolgen voor zeedieren. Omdat CO₂ alleen als broeikasgas werkt wanneer het in de atmosfeer hangt, heeft de opname van CO₂ in de oceanen de totale klimaatopwarming dus beperkt.

Een van de meest besproken gevolgen van klimaatverandering, met name voor Nederland, is zeespiegelstijging. Oceaanopwarming draagt hier sterk aan bij. Net zoals een treinrail in de zomer kan buigen als die te warm wordt, heeft ook zeewater meer ruimte nodig wanneer het opwarmt. Mede hierdoor stijgt de zeespiegel. Deze uitzetting van het zeewater heeft ongeveer 40% van de zeespiegelstijging gedurende de afgelopen eeuw veroorzaakt.

De opwarming van het aardoppervlak is niet gelijk verdeeld. De sterkste verandering zien we in het noordelijk poolgebied, waar de opwarming meer dan twee keer zo groot is als het mondiaal gemiddelde. Doordat de oceaan opgewarmd is kan die moeilijker bevriezen in de winter, en makkelijker smelten in de zomer. Hierdoor neemt het oppervlak van Arctisch zeeijs in de zomer elke 10 jaar met 13% af. Dit zorgt ervoor dat het minder zonlicht kan weerkaatsen, wat de opwarming weer versterkt. Ook een toename van warmtetransport door waterdamp (verdampt oceaanwater) en door zeestromen naar het poolgebied draagt bij aan de versterkte opwarming in het verre noorden.

De basis: wat doen oceanen voor ons klimaat?

Misschien wel de belangrijkste eigenschap van de oceanen in dit verhaal is hun capaciteit om warmte op te slaan. Om een liter water met één graad op te warmen is ruim 3000 keer meer energie nodig dan om een liter lucht met één graad op te warmen. Daarom duurt het zo lang om een pan water aan de kook te krijgen, terwijl de lucht rond die pan al snel heet wordt. Het gevolg hiervan is dat, wanneer er extra warmte beschikbaar is (bijvoorbeeld in de zomer), veel van die warmte door de oceaan wordt opgenomen. Er is dan weinig warmte over om de atmosfeer op te warmen, en daarom zijn de zomers in Nederland en andere kustgebieden vrij mild. Omgekeerd komt die opgeslagen warmte vrij wanneer er weinig warmte beschikbaar is, wat leidt tot onze milde winters.

Wanneer de oceanen warmte opnemen, wordt een deel van die warmte gebruikt voor de verdamping van oppervlaktewater. Die warmte is vervolgens niet meer beschikbaar om de lucht of het water op te warmen (zo kunnen wij zelf ook als het warm is door te zweten onze lichaamstemperatuur op peil houden). Door de verdamping van zeewater worden wolken gevormd die op hun beurt ook een belangrijke rol spelen in het klimaatsysteem. Wolken kunnen zowel tot opwarming als afkoeling zorgen, en het transport van waterdamp in de lucht zorgt voor een verdeling van warmte tussen de tropen en de poolgebieden. Als het oppervlaktewater van een oceaan warmer is dan 26,5 graden Celsius, kunnen er tropische cyclonen ontstaan. Ook deze spelen een belangrijke rol in de verdeling van water en warmte.

Omdat de oceanen zo groot en log zijn, en zoveel warmte kunnen opslaan, spelen ze ook een belangrijke rol in tijdelijke klimaatschommelingen. De bekendste hiervan is de El Niño, een fenomeen dat elke twee tot zeven jaar voorkomt (de laatste sterke was in 2014-2016). Aan het begin van een El Niño komt er een grote hoeveelheid relatief warm zeewater uit de diepe Stille Oceaan naar het oppervlak. De enorme hoeveelheid warmte die hierbij vrijkomt zorgt voor een piek in de globale temperatuur (2016 is nog altijd het warmste jaar ooit gemeten) en het leidt tot maandenlange periodes van extreme droogte in sommige gebieden en extreme regenval op andere plaatsen.

Dan zijn er nog de zeestromen, waarvan de Golfstroom, die van de Cariben naar het noorden stroomt, wellicht de bekendste is. Dit is slechts een van de vele zeestromen in de oceanen, die allemaal bijdragen aan de verdeling van warmte. Zo zorgt de Golfstroom er deels voor dat het water in de Noord Atlantische Oceaan relatief warm is, terwijl de Antarctische Circumpolaire Stroom in de Zuidelijke Oceaan een barrière vormt en het water rond Antarctica juist koud houdt.

Dit koude water in de poolgebieden kan zo koud worden dat het aan het oppervlak bevriest. Zo wordt zeeijs gevormd, een laag bevroren oceaanwater van centimeters tot enkele meters dik, dat elke zomer weer voor een deel wegsmelt. Dit zeeijs reflecteert zonlicht, waardoor het de poolgebieden relatief koud houdt. Dit heeft vervolgens weer een invloed op de luchtstromen en weersystemen, onder andere in Europa.

De toekomst: wat gebeurt er met opgewarmde oceanen?

Opname van energie (warmte) door oceanen (blauw), ijs (wit), land (bruin) en atmosfeer (paars) vanaf 1971. De gestippelde lijnen geven de totale onzekerheid aan. Figuur overgenomen van IPCC Synthesis Report (2014)

Omdat het klimaatsysteem vrij langzaam reageert op broeikasuitstoot, en die laatste nog altijd stijgt, zal de opwarming van de aarde nog een tijd doorgaan. Ook in de toekomst zal de oceaan een belangrijke rol spelen door te reguleren waar die extra warmte naartoe gaat. In de 21^e eeuw wordt verwacht dat de warmteopname van de oceaan drie tot zes keer zo groot zal zijn als in de afgelopen 50 jaar.

Inmiddels weten we dat deze warmteopname een belangrijk voordeel heeft: de atmosfeer warmt hierdoor minder op. Er zijn echter ook nadelen: de zeespiegel zal sneller stijgen door uitzetting van het zeewater. Het Arctisch zeeijs zal verder smelten en kan deze eeuw, voor het eerst sinds mensenheugenis en ver daarvoor, vrijwel volledig verdwijnen in de zomer; dit zal de totale klimaatopwarming weer verder versterken. Ook wordt verwacht dat de opwarming zal leiden tot een verdubbeling van extreme El Niño’s en een mogelijke toename in de intensiteit van tropische cyclonen.

De opwarming van de oceaan begint ook steeds meer door te sijpelen naar de randen van Antarctica, waar het overgrote deel van alle ijs op aarde is opgeslagen. Omdat deze ijskap in direct contact staat met de oceaan leidt dit tot een versneld massaverlies van de Antarctische ijskap, wat in de toekomst sterk bij kan dragen aan de totale zeespiegelstijging.