14 ZENIT fEbruarI 2013

Sinds enige tientallen jaren zijn we vertrouwd met de kaart van de gesloten oceaancirculatie. Maar dit is een forse vereenvoudiging van de werkelijkheid. In dit artikel kijken we naar en-kele bijzondere ‘bottlenecks’ in deze ‘lopende band’.

Vrijwel iedereen kent, via de bosatlas, wel de kaart van de oceaanstromen. Dit zijn opper-vlaktestromingen, die meestal door de gemid-

delde winden worden aangedreven. Ze zijn al lange tijd bekend uit de ervaringen van zeevaarders die er dankbaar gebruik van maakten. Een zorgvuldige studie laat zien dat er soms ergens water lijkt te ver-dwijnen of dat er water bij komt. blijkbaar speelt de derde dimensie, dus verticale bewegingen, ook een rol in de oceaancirculatie. Dit was al langer bekend

voor verschillende gebieden, maar pas in de laatste decennia van de 20e eeuw is men gaan denken in termen van een gesloten oceaancirculatie-systeem, de zogenaamde ‘lopende band’ van de oceaancirculatie. Door de bekende oceanograaf Wallace broecker is dit idee weergegeven in een overbekende kaart (figuur 1), die zo populair is geworden binnen de oceanografische wereld, dat soms vergeten wordt dat het een sterke versimpeling is van de werkelijkheid.

Het begin van de lopende bandOmdat een lopende band een geslo-ten systeem is, kun je overal begin-nen met een studie ervan. Gebrui-kelijk is om dat in het hoge noorden van de atlantische Oceaan te doen. Het oppervlaktewater dat vanuit het zuiden is aangevoerd koelt hier sterk af. Omdat het vrij zout is, is de dichtheid, vooral in de buurt van het vriespunt, heel hoog. Dat vries-punt ligt ongeveer bij -1,8 °C. In het winterseizoen kan door sterk warm-

teverlies aan de atmosfeer de dicht-heid zo hoog worden dat grote bellen oppervlaktewater naar beneden zin-ken tot kilometers diepte. Dit proces heet diepe convectie. Schematisch is dit weergegeven in figuur 2. Dit proces vindt plaats in de Noorse Zee, de Irmingerzee (tussen IJsland en Groenland) en in de Labrador-zee, maar ook rond antarctica. De noordelijke Stille Oceaan, ofwel de beringzee, is te ondiep om het kou-de diepe water te laten ontstaan. Het noordelijke koude en zware water verspreidt zich langzaam in zuide-lijke richting door de atlantische Oceaan en heeft de naam Noord-atlantisch Diep Water (NaDW). Het diepe water dat in de Noorse Zee is gevormd moet overigens nog wel eerst over de onderzeese ruggen aan weerszijden van IJsland vloeien. In de Zuidelijke Oceaan rond an-tarctica aangekomen verspreidt het NaDW zich met behulp van de an-tarctische Circumpolaire Stroom, die om antarctica heen loopt, ver-

Figuur 1: Wereldkaart met daarin ingetekend de oceaanstromen, naar het oorspronkelijke idee van Wallace Broecker. De rode stroming toont warm oppervlakte water en de blauwe stroming koud, zouter diep water. (Bron: NASA/JPL)

Bijzondere knooppunten in de oceaancirculatie

Kees VethKees Veth heeft sterrenkunde gestudeerd in utrecht en was van 1976 tot 2009 werkzaam als fysisch-ocea-nograaf op het Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ) op Texel.

ZENIT fEbruarI 2013 15

der naar de diepe gedeelten van de overige oceanen. Wanneer er niets anders zou gebeu-ren, zouden de diepe oceaanbek-kens zich op den duur vullen met een laag stilstaand, dood zuurstof-loos water, net als in de Zwarte Zee. Maar er is leven gevonden tot aan de bodem van de oceanen. Er vindt dus blijkbaar verversing plaats. Dankzij de maan en de zon is er op aarde sprake van getijdenbeweging in de zee. Deze getijdenbeweging wekt turbulentie op langs de randen van continenten en onderzeese bergruggen, waardoor het diepe water geleidelijk weer naar boven diffundeert. Dit opgestroomde wa-ter beweegt zich uiteindelijk weer terug naar het noorden van de at-lantische Oceaan en via de Warme Golfstroom en de Noord-atlanti-sche Stroom wordt de stroomkring weer gesloten. figuur 1 en 3 laten deze circulatie zien. De circulatie staat bekend als ‘Meridional Overturning Circulation’ – MOC. binnen de atlantische Oceaan zijn er twee cellen (figuur 3), waarvan de noordelijke nu de do-minante is. De kleinere cel die nabij antarctica begint, is minder sterk, maar het zeer zware water is als an-

tarctisch bodemwater (aabW) te vinden tot vlak ten zuiden van IJs-land. bij grote klimaatverandering is het niet ondenkbaar dat de sterkte van deze twee cellen omklapt en de zuidelijke cel de dominante wordt. De zeestromingen in de diepte wor-den gedreven door dichtheidsver-schillen. Die dichtheidsverschillen ont staan door verschillen in tempe-ratuur en zoutgehalte; daarom heb-ben deze diepe zeestromingen teza-men de naam thermohaline circu latie. (Halien komt van het Griekse woord ‘hals’ voor zout.) De oppervlaktestro- mingen maken daarentegen meestal deel uit van de windgedreven circu-latie.

Bottlenecks in de lopende bandDe diepe convectie in het noorden vereist heel zout water om de nodige hoge dichtheid te bereiken. Wan-neer er, bijvoorbeeld door exceptio-neel afsmelten van de ijskap van Groenland, veel zoet water in de noordelijke zeeën is terechtgeko-men, zal de winterse convectie tot veel minder diepe lagen reiken. De consequentie zou kunnen zijn dat de bron van het NaDW verzwakt en de lopende band tot stilstand komt. Dit is het scenario van de film

‘The day after tomorrow’. De Warme Golfstroom zou verzwakken of van richting veranderen, met als gevolg dat Noord-amerika en Europa diep bevroren zouden raken. In het geo-logisch verleden zijn aanwijzingen gevonden voor perioden met veran-derde golfstroombanen, vooral na ijstijdperioden. Een gevolg zou te-vens kunnen zijn dat de eerderge-noemde circulatiecellen in sterkte omwisselen. Tegenwoordig wordt er veel onderzoek gedaan om aanwij-zingen te vinden voor veranderin-gen in deze diepe convectie en sterkte van de NaDW-bronnen. Zie ook het artikel van rob van Dor-land en renske Gelderloos in Zenit juni 2012, p. 39.Het NaDW doet er eeuwen over om zich over de oceanen te verspreiden. De gemiddelde transportsnelheid van het NaDW van IJsland tot aan de Zuidelijke Oceaan is ruwweg 1 mil-limeter per seconde, dat is 30 km per jaar. Langzamerhand verliest het watertype daarbij zijn identiteit door menging met omringend wa-ter, vooral wanneer het, vaak vele malen, rond antarctica in de an-tarctische Circumpolaire Stroom stroomt voordat het naar het noor-den afbuigt.

Figuur 2: Diepe convectie in diverse stadia: (A) opper-vlak begint af te koelen; (B) oppervlaktewater wordt zo koud dat bellen gaan zinken; (C) homogene kolom door menging; (D) water zakt uit naar het juiste dicht-heidsniveau. (Bron: naar J. Marshall en F. Schott, Re-views of Geophysics, AGU)

Figuur 3: De meridionale circulatie (dus gezien langs een meridiaan, ofwel ge-zien in diepte en in noord-zuidrichting) in de Atlantische Oceaan toont twee circulatiecellen. (Bron: Kees Veth)

Nederlands onderzoek van de ‘lopende band’Diverse Nederlandse instituten werken aan onderwerpen die te maken hebben met de ‘lopende band’: het Konink-lijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ), het Instituut voor Meteorologisch en atmosferisch Onderzoek van de universiteit utrecht (IMau), het Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI), en de afdeling Geologie van de Vrije universiteit in amsterdam.

16 ZENIT fEbruarI 2013

als het ‘lopende bandwater’ uitein-delijk, na vele eeuwen, in de ocea-nen door turbulente diffusie aan de oppervlakte is gekomen, staan er nog een aantal obstakels te wachten voordat de Warme Golfstroom weer is bereikt. In figuur 4 zijn de trans-portbanen wat precieze en uitge-breider weergegeven dan in figuur 1. Men moet daarbij bedenken dat het omhoog stromen in de oceanen over een enorm oppervlak plaats-vindt en niet slechts in de kleine ge-biedjes die geschetst zijn.

Doorstroming door de Indo-nesische archipelNaast een bescheiden bijdrage rond de zuidpunt van Zuid-amerika door Straat Drake, de zogenaamde koudwaterroute (in groen weerge-geven in figuur 4), loopt de belang-rijkste retourstroom uit de Stille Oceaan via de Indonesische wate-ren. Dit gebeurt door zeer nauwe zeestraten en bovendien over een aantal onderzeese ruggen. Tijdens deze passage vindt er sterke men-ging plaats met het lokale water, vooral in de banda Zee. De banda Zee is een diep bekken tussen hoge onderzeese ruggen, waar het water overheen moet. Het lokale water be-

vat vrij zoet water dat afkomstig is van Zuidoost-aziatische en Indone-sische rivieren. De hoeveelheid wa-ter die door de Indonesische archi-pel stroomt wordt vermoedelijk sterk gemoduleerd door het ‘El Niño / Southern Oscillation’ verschijnsel (ENSO). Op onregelmatige momen-ten kunnen de windsterkten rond de evenaar tussen Zuid-amerika en de Indonesische archipel verande-ren, waarbij ook de waterhoogten door windopzet kunnen verande-ren, en ook de druk op de zeestro-ming door de zeegaten. De diverse fasen van ENSO kenmerken zich bovendien door perioden met uit-bundige regenval of juist grote droogte, waardoor het water waar-mee wordt gemengd sterk kan ver-schillen. Onderzoek naar de invloed van ENSO op de oceaancirculatie is in volle gang, met veel verankerde instrumenten in de diverse Indone-sische zeegaten.Het water dat in de archipel is ge-modificeerd stroomt de Indische Oceaan binnen en beweegt in de richting van afrika. Dit oppervlak-tewater staat onder invloed van de moessonwinden, die halfjaarlijks van richting veranderen. Ten gevol-ge van deze periodieke veranderin-

gen worden dichtheidsgolven in de bovenste lagen opgewekt, die tussen afrika en Indonesië plus australië heen en weer lopen. Dit zijn heel langgolvige verschijnselen, die waar-genomen kunnen worden met behulp van altimetrie (hoogtemetingen van het zeeoppervlak) vanuit sa tel lieten. Deze lange golven veroorzaken ver-storingen in de retourstroom wan-neer deze zich splitst rond Mada-gaskar. Ten zuiden van Madagaskar verenigen de beide takken zich weer en vormen daar een zeer sterke zee-stroom, de agulhasstroom die langs de afrikaanse kust naar het zuid-westen beweegt. Tengevolge van deze verstoringen tonen de zeestro-mingen rond Madagaskar grote me-anders en wervels.

Chaotische toestand rond Kaap de Goede HoopNu bereikt de lopende band de meest kritieke bottleneck. De agul-hasstroom beweegt niet zomaar de atlantische Oceaan in, maar stuit in zuidwestelijke richting op de an-tarctische Circumpolaire Stroom en buigt daardoor om naar het oosten. Deze omkering heet agulhasretro-flectie en zo ontstaat de agulhasre-tourstroom. De lopende band zou

Figuur 4: De stroompaden zijn ingewikkelder dan in figuur 1. (Bron: naar Arnold Gordon, Lamont-Doherty Earth Observatory)

ZENIT fEbruarI 2013 17

zo min of meer tot stilstand komen als de bovengenoemde verstoringen niet een rol zouden spelen. De ver-storingen laten de agulhasstroom een beetje meanderen, en dit heeft tot gevolg dat er bij de retroflectie ringen met agulhaswater worden afgesnoerd. Dit gebeurt 4 tot 7 maal per jaar. figuur 5 toont de com-plexiteit van dit gebied. Vanuit alti-metriesatellieten kan men de ringen goed waarnemen vanaf het moment dat ze zijn afgesnoerd (figuur 6) en soms ook met behulp van infra-roodwaarnemingen (figuur 7). Dat ze met hoogtemetingen zichtbaar zijn komt doordat ze warmer water bevatten dan de omgeving en daar-door naar boven uitzetten. Het gaat om slechts enkele decimeters in het centrum. De diameter van de ringen is 200-300 km. De ringen draaien, want het zijn een soort van hoge-drukgebieden. Dit is goed merk baar wanneer men er doorheen vaart.

Onderzoek naar de Agulhas-ringenDeze ‘agulhasringen’ bewegen de atlantische Oceaan in. Dit wordt de agulhaslekkage genoemd. Door wrijving wordt ringwater geleidelijk afgestaan aan het atlantische water. Dit afgestane water vormt zo weer de retourstroom van de lopende band. Het gedrag van deze agulhasringen en het retroflectiegebied is onder-werp van studie bij een aantal Ne-derlandse instituten, in samenwer-king o.a. met Zuid-afrika en de VS. In dit onderzoek werken fysisch-oceanografen en geologen samen.

recent is ontdekt dat de agulhasre-troflectie mogelijk als een soort schakelaar kan werken in het we-reldklimaat. De noordelijke begren-zing van de antarctische Circum-polaire Stroom is de zogenaamde Subtropische Convergentie (figuur 5) of het Subtropisch front. Dat is een vrij scherpe overgang in de Zui-delijke Oceaan, veroorzaakt door een scherpe gradiënt in de sterkte van de westelijke winden. Wanneer het windpatroon naar het noorden opschuift, schuift de retroflectie naar het oosten en komt de agul-haslekkage tot stilstand.

Geologisch onderzoekDoor geologisch onderzoek van bo-demkernen uit dit zeegebied is dui-delijk aangetoond dat in ijstijdperi-oden bepaalde soorten dierlijk plankton, foraminiferen (figuur 8) die nu in de koude wateren ten zui-den van de Subtropische Conver-gentie leven, tot vlak onder zuidelijk afrika worden aangetroffen. uit de isotopensamenstelling van kool-stof- en zuurstofatomen van deze foraminiferen kan men zelfs opper-vlaktetemperaturen bepalen. In de IJstijden was de agulhaskraan blijkbaar dicht. uit recente metin-gen kan men zien dat de kraan in de periode 1995-2004 iets meer open is gaan staan dan in de periode 1965-1974, want het maximum van de westenwinden is circa 5 breedtegra-den naar het zuiden opgeschoven. Mogelijk hangt dat samen met kli-maatveranderingen.

Opzouten tijdens het laatste trajectDe agulhasringen dragen dus bij aan de retourstroom van de lopende band. bij het verlaten van de Indi-sche Oceaan nemen ze daarbij een flinke portie zout mee. Het water beweegt zich vooral in de richting

Figuur 5: Het Agulhas-retroflectiegebied. (Bron: Johann Lutjeharms, Univer-sity of Cape Town)

Figuur 6: Agulhasringen, afgeleid uit satelliet-altime-trie. (Bron: Topex/Poseidon, NASA)

Figuur 7: Infraroodbeeld van het Agulhasgebied. (Bron: Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science)

18 ZENIT fEbruarI 2013

van brazilië. Na passage van de eve-naar gaat een belangrijke tak van de waterstroom door de Caribische Zee en na passage van Straat florida als Warme Golfstroom (figuur 9) noordwaarts, waar we tenslotte te-rugkeren in de beginpositie. Op deze weg door de atlantische Oce-aan gebeurt nog iets belangrijks, dat ertoe bijdraagt de lopende band draaiende te houden. bij passage van de subtropische delen van de oceaan vindt hele sterke verdam-ping plaats en rond de evenaar juist sterke neerslag. Dit is goed merk-baar in het zoutgehalte in het op-pervlak van de oceaan, dat van zuid naar noord sterk verandert. Het netto-effect is dat bij het verlaten van de Caribische wateren het water een hoog zoutgehalte heeft. Dit geeft weer een goede uitgangspositie voor de start van de lopende band. Men schat de gemiddelde reistijd over de lopende band op ruwweg 2000 jaar. al met al zien we dat voor de oce-aancirculatie ook verticale bewe-gingen een belangrijke rol spelen. Ten eerste via de diepe thermohali-ne circulatie, maar ook door circu-latie via de atmosfeer. De hoeveel-heid netto verdampt zoet water uit de atlantische Oceaan regent netto neer in de Stille Oceaan. Dit leidt tot

een aanzienlijk virtueel zouttrans-port naar de atlantische Oceaan en is een belangrijke drijvende kracht achter de lopende band.Goed is te zien dat de oceaancircu-latie sterk beïnvloed wordt door kli-maatfactoren, zoals neerslagpatro-nen, smeltende ijskappen, ligging van windcirculatiegebieden en der-

gelijke, maar veranderingen in de oceaancirculatie zijn zelf ook weer oorzaak van klimaatveranderingen. Dat kan wereldwijd zijn, maar ook op regionale schaal. Grootschalige meetcampagnes door internatio-naal samenwerkende instituten blij-ven nodig om deze globale onder-linge samenhang beter te begrijpen.

Figuur 8: Voorbeelden van foraminiferen die als water-massa- en temperatuurtracers kunnen fungeren. (Bron: Frank Peeters, VU Amsterdam)

Figuur 9: Infraroodbeeld van de Warme Golfstroom. (Bron: NASA)