Meer aanwijzingen voor vertragende circulatie in de Atlantische Oceaan

De Golfstroom. Bron: Natalie Renier, Woods Hole Oceanographic Institution

De AMOC is het Atlantische deel van de thermohaliene circulatie. De thermohaliene circulatie is het mondiale patroon van stroming in de oceanen, dat veroorzaakt wordt door verschillen in dichtheid van het zeewater, die het gevolg zijn van verschillen in temperatuur en zoutgehalte. Het globale stromingspatroon van de oceanen wordt behalve door die dichtheidsverschillen ook beïnvloed door andere factoren: de wind, de ligging van continenten en de geometrie van de zeebodem. Dat globale patroon – de “oceanische transportband” – wordt toch vaak thermohaliene circulatie genoemd. Ook al omdat de factoren die meespelen niet altijd goed te scheiden zijn.

Koud water dat rond Groenland naar de diepe oceaan zakt is een belangrijke drijvende kracht van de thermohaliene circulatie. Dat betekent enerzijds dat veranderingen in dit gebied van grote invloed kunnen zijn op de circulatie in de Atlantische Oceaan of zelfs de hele wereld en anderzijds dat de noordelijke Atlantische Oceaan bij uitstek het gebied is om eventuele veranderingen te kunnen detecteren. Wetenschappers houden het noordelijke deel van de AMOC dan ook goed in de gaten. De twee belangrijkste componenten van die noordelijke AMOC zijn:

• De Golfstroom: het warme water aan het oceaanoppervlak dat vanuit de Golf van Mexico richting West-Europa en Groenland stroomt;
• De deep western boundary current: het koude water dat in de diepte langs de Amerikaanse oostkust zuidwaarts stroomt.

Dat de opwarming van het klimaat invloed zou kunnen hebben op de AMOC is goed te begrijpen. Het zoutgehalte van de oceaan rond Groenland daalt als het ijs daar smelt, want het smeltwater dat de oceaan in stroomt is immers zoet. De soortelijke massa van het water neemt daar dus af, waardoor het minder makkelijk naar de bodem zakt. Dat remt de AMOC; in het ergste geval zou de AMOC zelfs volledig stil kunnen vallen. Tot enkele jaren geleden beschouwde de klimaatwetenschap dit als een kwestie van de (heel) lange termijn. Het IPCC schreef in 2014 (Synthesis report, pagina 40):

There is no observational evidence of a long-term trend in the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC).

En (WG1, hoofdstuk 12, pagina 1033):

It is very likely that the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) will weaken over the 21st century but it is very unlikely that the AMOC will undergo an abrupt transition or collapse in the 21st century.

Dat tweede citaat zal door de meeste wetenschappers nog wel gesteund worden, maar de eerste opmerking is inmiddels wel achterhaald. Er zijn de afgelopen jaren wel degelijk aanwijzingen gevonden voor een verzwakking van de AMOC en vorige maand werd in een artikel in Nature een mogelijk mechanisme gepresenteerd dat daarbij een rol zou kunnen spelen. Deze maand verschenen in Nature nog twee artikelen die er op wijzen dat de AMOC is verzwakt en mogelijk zelfs uitzonderlijk zwak is geworden.

Afkoeling van de subpolaire gyre en opwarming voor de Amerikaanse oostkust als gevolg van een vertragende AMOC. Bron: Potstam-Institut für Klimafolgenforschung

De snelheid van de AMOC wordt pas sinds 2004 direct gemeten. Om een beeld te krijgen van de ontwikkeling op lange termijn zijn er dus gegevens nodig die als indicator dienen voor de sterkte van de AMOC: metingen waarin een vingerafdruk van die sterkte terug te vinden is bijvoorbeeld, of paleoklimatologische proxy’s.

Caesar et al. onderzoeken een vingerafdruk van de vertragende AMOC in de temperatuurontwikkeling van twee delen van de Atlantische Oceaan:

• De subpolaire gyre, ten zuiden van Groenland. Als de Golfstroom vertraagt wordt er minder warmte naar dit gebied getransporteerd. Het zeewater warmt er dan minder op dan de rest van de mondiale oceanen, of het koelt er zelfs af.
• De Golfstroom-regio, voor de oostkust van de Verenigde Staten. In dit gebied kruisen de Golfstroom en de deep western boundary current elkaar. Door die kruisende stromingen ontstaat er een werveling, die er voor zorgt dat de Golfstroom los komt van de Amerikaanse oostkust. Als die werveling verzwakt door een zwakkere stroming blijft de warme Golfstoom de kust wat langer volgen, met een relatief sterke stijging van de temperatuur van het oceaanoppervlak tot gevolg.

Voor het onderzoek werden berekeningen uitgevoerd met een klimaatmodel dat voor de oceaan een heel hoge resolutie heeft. 11.000 processoren waren een half jaar bezig met het doorrekenen van de simulaties. De gedetailleerde berekeningen bevestigen de vingerafdruk die verwacht wordt op basis van de theorie. Ze komen bovendien goed overeen met de werkelijke waargenomen temperatuurveranderingen in de subpolaire gyre en de Golfstroom-regio. En er is een goede overeenkomst tussen die waargenomen vingerafdruk en de werkelijk gemeten verandering in de AMOC sinds 2004. Als men de vingerafdruk over een langere periode bekijkt wijst die op een afzwakking van de AMOC sinds het midden van vorige eeuw met zo’n 15%.

Temperatuurmetingen van de subpolaire gyre (blauw) en de Golfstroom-regio (rood) en metingen van de sterkte van de AMOC. Bron: Caesar et al.

Thornalley et al. kijken verder terug in de tijd: 1600 jaar. Daarvoor gebruiken ze twee boorkernen uit de oceaanbodem voor de kust van North Carolina. Afmetingen van sedimentdeeltjes in de boorkernen geven een indicatie van de stroomsnelheid in de diepe oceaan. In dit geval is dat de snelheid van de deep western boundary current. Daarnaast gebruiken ze gegevens uit eerder paleoklimatologisch onderzoek om een vingerafdruk te bepalen voor de AMOC gebaseerd op de temperatuur onder het oceaanoppervlak van de subpolaire gyre en kijken ze naar een reconstructie van temperatuur en zoutgehalte van het water onder het oceaanoppervlak van de Labradorzee.

Reconstructies van de sterkte van de AMOC. Boven: op basis van de temperatuur in de subpolaire gyre volgens Thornalley et al. (zwart) en Rahmstorf et al. 2015 (oranje). Midden op basis van temperatuur (rood) en zoutgehalte (zwart) in de Labradorzee volgens Moffa-Sánchez et al. 2014. Onder: op basis van analyse van sediment. Bron: Thornalley et al.

Thornalley et al. vindt, net als Ceasar et al., een vertraging van de AMOC met ongeveer 15%. Maar er zitten wel verschillen in de timing, niet alleen tussen de onderzoeken van Caesar en Thornalley, maar ook tussen de verschillende vingerafdrukken die Thornalley laat zien. Volgens al die vingerafdrukken is de verzwakking van de AMOC al in de eerste helft van de 19^e eeuw begonnen, maar het temperatuurverloop van de subpolaire gyre wijst op een gestage verzwakking, terwijl de analyse van sedimenten een meer stapsgewijze verandering laat zien. Zo’n stapsgewijze verandering zou kunnen wijze op hysterese. Dat idee – dat inhoudt dat de AMOC onder bepaalde omstandigheden “aan” of “uit” zou schakelen – is meer dan een halve eeuw geleden al geopperd. Zo’n hysterese-effect zou mogelijk niet goed zichtbaar kunnen zijn in reconstructies op basis van temperaturen, omdat de resolutie in de tijd van die reconstructies vrij laag is. Als gevolg daarvan worden snelle veranderingen uitgesmeerd in de tijd. Maar het is ook mogelijk dat de stapsgewijze verandering vooral op lokaal niveau speelt, omdat de zuidwaartse diepe stroming van de AMOC immers een veel groter gebied beslaat dan alleen maar de oceaan voor Kaap Hatteras waar de boorkernen vandaan komen.

Hoe dan ook, alles wijst er op dat de AMOC uitzonderlijk zwak is; het zwakst in anderhalf millennium. Het is niet goed denkbaar hoe dat zou kunnen zonder dat het dalende zoutgehalte door een toename van smeltwater daar een rol in speelt. Het begin van de afzwakking, zo ongeveer aan het eind van de Kleine IJstijd, had vermoedelijk – vooral, want een vroege antropogene invloed is ook niet uit te sluiten – natuurlijke oorzaken. Maar daarmee is niet verklaard hoe de circulatie sindsdien zo zwak is gebleven, en vermoedelijk zelfs verder is verzwakt. Opwarming van het klimaat door menselijke broeikasgasemissies is veruit het meest waarschijnlijk.

Het stilvallen van de AMOC zou grote klimaateffecten hebben, zoals een flinke afkoeling in West-Europa, maar ook een vertraging kan al invloed hebben. Veranderingen in de temperatuur van het oceaanoppervlak die het gevolg zijn van de vertraging beïnvloeden de ligging van hoge- en lagedrukgebieden en daarmee de atmosferische circulatie. Er zijn bijvoorbeeld aanwijzingen dat de kans op hittegolven in Europa hierdoor toeneemt en dat het in Europa stormachtiger kan worden.

Er is de afgelopen weken het nodige aan nieuwsberichten en achtergrondartikelen over deze onderzoeken verschenen. Hieronder enkele lezenswaardige stukken:

Sefan Rahmstorf op RealClimate: Stronger evidence for a weaker Atlantic overturning circulation

Nieuwsbericht PIK Potsdam over Ceasar et al.: Stronger evidence for a weaker Atlantic overturning

Nieuwsbericht Woods Hole Oceanographic Institution over Thornalley et al.: Atlantic Ocean Circulation at Weakest Point in 1,600 years

Nieuwsbericht en commentaar van Nature: North Atlantic circulation slows down; Ocean circulation is changing, and we need to know why

The Washington Post (met links die toegang geven tot de volledige artikelen van Ceasar en Thornalley); The oceans’ circulation hasn’t been this sluggish in 1,000 years. That’s bad news.

Carbon Brief: Atlantic ‘conveyor belt’ has slowed by 15% since mid-20th century

The Conversation: Climate change is slowing Atlantic currents that help keep Europe warm (door Peter T. Spooner, een van de coauteurs van Thornalley)