Tegenwoordig beslaan oceanen ruim 70 procent van het aardoppervlakte, maar dat is wel eens anders geweest. 4.6 miljard jaar geleden vormden de eerste aardkorst aan het oppervlak van de bal van vloeibaar gesteente. Door de enorme hitte verdampte al het water direct weer. Langzaam accumuleerde waterdamp uit vulkanische erupties in de jonge dampkring, mogelijk aangevuld met water dat verdampte uit miljoenen ingeslagen ijskometen. Met het afkoelen van het aardoppervlakte ontstonden waterpoelen, de oersoep, waarin 3,6 miljard jaar geleden de eerste algen groeiden. Er was 25 miljoen jaar van zware regenval voor nodig om de oceanen te vullen en tot op de dag van vandaag groeien de oceanen gemiddeld met 0.1 km3 water per jaar dat vrijkomt uit vulkanische erupties.
De zo ontstane oceanen zijn constant in beweging. De Grieken kwamen hierachter doordat hun handelsschepen, zodra ze via de straat van Gibraltar de Atlantische oceaan opvoeren, telkens naar het zuiden afdreven. Voor zulke grote waterstromen wordt de eenheid sverdrup (Sv) gebruikt; 1 sverdrup is gedefinieerd als 1 miljoen m3 water per seconde. De voor het klimaat van Nederland zo belangrijke warme Golfstroom bijvoorbeeld, transporteert nadat hij de golf van Mexico heeft verlaten zo’n 55 Sverdrup water. Dat is minstens 46 keer zoveel als alle rivieren van de wereld bij elkaar afvoeren richting zee. Het is dus al lange tijd bekend dat er circulatie is in oceanen, maar dat zowel de diepte als de oppervlakte circulatiepatronen eigenlijk deel uitmaken van een groot circulerend systeem is pas de afgelopen eeuw ontdekt tijdens drie oceaan expedities door George Deacon (1906 – 1984).
Hoe komt het dat oceaanwater als één groot systeem in beweging is? Twee hoofdfactoren bepalen de oceaanstromingen: zwaartekracht en wind. 90% van het water in de oceanen stroomt dankzij de zwaartekracht. Verschillen in temperatuur en zoutgehalte maken dat oceaanwater niet overal dezelfde dichtheid heeft. Warm water is lichter dan koud water en ‘drijft’ daarom bovenop. Vergelijk dit met een heteluchtballon, door het verwarmen van lucht in een ballon zet de lucht uit, waardoor de lucht per volume lichter wordt dan zijn omgeving met als gevolg dat de ballon stijgt.
Temperatuursgelaagdheid, die ontstaat in het water, zorgt dat de waterlagen onderling moeilijk mengen. Hoe groter het temperatuurverschil hoe slechter de menging. Deze ‘stratificatie’ is goed te merken als je zomers buiten gaat zwemmen. Water is warm aan het oppervlak, maar zodra je duikt kom je in veel kouder water terecht. Koud en relatief zwaar zeewater, wat zich voornamelijk rond de polen van de aarde bevindt, zinkt dan ook naar de diepte. Volgens de wet van de communicerende vaten moet eenzelfde hoeveelheid water ergens anders omhoog komen. Deze opwelling vindt plaats in de gematigde zones en rond de evenaar, waar het water sneller wordt opgewarmd door de zon.
Grootschalige windpatronen samen met effecten van Corioliskracht zorgen er vervolgens voor dat het warme oppervlaktewater, de bovenste 200 – 400 meter, uiteindelijk weer naar de polen gestuwd wordt. Rond de evenaar zijn de uit het oosten komende passaatwinden verantwoordelijk voor het opstuwen van het zeewater, maar vanaf de 30ste noorder- en zuiderbreedtegraad domineren de westenwinden. De Corioliskracht welke ontstaat door de draaiing van de aarde om haar as, geeft bovendien een afwijking aan de stuwrichting.
De Corioliskracht laat zich het makkelijkst beschrijven met behulp van een kanonskogel en twee steden die op dezelfde lengtegraad liggen; bijvoorbeeld Lyon en Amsterdam. Als vanuit Lyon een kanonskogel richting Amsterdam afgevuurd wordt dan duurt het enige tijd voordat deze Amsterdam zou bereiken. De aarde is al weer een stukje doorgedraaid tegen de tijd dat de kogel Amsterdam zou bereiken waardoor de kogel op de Veluwe zal inslaan. Hetzelfde principe is van toepassing op oceaanstromingen. Zo bepaalt de Corioliskracht dat oceaanstromingen op het noordelijke halfrond met de klok meedraaien en op het zuidelijke halfrond tegen de klok in.
Dramatische gevolgen ontstaan wanneer oceaanstromingen tijdelijk van richting veranderen. Het ronddraaien van de aarde blijft weliswaar altijd hetzelfde, maar omdat passaatwinden wél in richting en kracht kunnen variëren, is het niet moeilijk voor te stellen dat oppervlaktestromingen ook snel kunnen veranderen. Het bekendste voorbeeld hiervan is het 1 tot 3 jaar durende El Niño fenomeen, dat elke 3 tot 8 jaar optreedt in de Stille Oceaan. De oostelijke passaatwinden boven de Stille Oceaan komen dan uit tegenovergestelde richting en veranderen ook de oceaanstroming.
Het koude, voedselrijke zeewater dat normaal bij de kust van Peru omhoogkomt doordat het oppervlaktewater in westelijke richting weggestuwd wordt, blijft uit en komt nu door de tegenovergestelde wind vele duizenden kilometers verderop bij de kust van Indonesië pas aan de oppervlakte. De Peruaanse vissers noemde dit verschijnsel El Niño, wat kerstkindje betekent, omdat dit fenomeen zich rond kerst voordoet. Los van de rampzalige gevolgen voor Peruaanse vissers is El Niño klimatologisch over de hele wereld goed merkbaar. Het Andesgebergte, wordt dan geteisterd door regen wat dramatische aardverschuivingen en modderlawines met zich meebrengt. Tegelijkertijd blijft het moessonseizoen in Australië en Indonesië uit waardoor daar, door de extreme droogte, talloze bosbranden ontstaan.
Zonder oceaanstromingen zou de aarde echter een veel extremer klimaat kennen. De zon warmt de aarde op. Doordat de aarde een bal is en de zon min of meer loodrecht boven de evenaar staat krijgt de evenaar het meeste energie. Hoe dichter je bij de polen komt hoe kouder het dan ook wordt. Het warme oppervlaktewater, dat richting de polen wordt gestuwd, verdampt en staat langzaam zijn warmte af aan de lucht. Koude lucht uit Noord-Amerika bijvoorbeeld wordt zo opgewarmd door de warme Golfstroom voordat het Noordwest Europa bereikt. Hierdoor is het klimaat in Nederland 2 tot 5 graden warmer dan je zou verwachten op grond van de breedtegraad. Boven land koelt de opgewarmde lucht af en, omdat koudere lucht minder vocht kan bevatten, ontstaat er neerslag. Dit maakt dat we in Nederland relatief warme, natte winters hebben en gematigde natte zomers.
Opwarming van de oceanen leidt tot verminderde opname van het broeikasgas koolstofdioxide. Dit omdat zeewater slecht mengt als de temperatuursverschillen groter worden tussen de verschillende waterlagen in de oceaan en omdat CO2 beter oplost in koud water. Voedselrijke nutriënten en sedimenten afkomstig van het land komen in de oceaan terecht. Het gedeelte neerslag boven land dat niet verdampt is, verzamelt zich in rivieren en stroomt terug naar de oceanen waarbij het opgeloste mineralen en geërodeerde sedimenten zoals klei, silt en zand met zich meeneemt. Jaarlijks wordt 15,5 miljard ton sediment naar de oceaan getransporteerd. Om je een idee te geven, heel Nederland zou elk jaar met een halve meter sediment bedekt worden, als we al dat sediment zouden uitspreiden over ons land.
Voedselrijke stoffen komen zo in de oceaan terecht alwaar ze snel naar diepe koudere waterlagen zakken. Fytoplankton, de grootste zuurstofproducent van de aarde, legt grote hoeveelheden koolstof afkomstig uit koolstofdioxide vast via fotosynthese. Dood fytoplankton zakt naar de oceaanbodem waar de organisch gebonden koolstof afgedekt wordt door sedimenten en zo netto koolstof uit de kringloop onttrekt. Tot op 100 meter diepte is er nog voldoende zonlicht voor fytoplankton om in leven te blijven, maar de nutriënten zijn daar juist minder beschikbaar als de diepere voedselrijkere lagen door temperatuursverschillen slechter mengen met het oppervlakte water. Door dit principe neemt de groei van fytoplankton en daarmee de fixatie van koolstofdioxide af bij een opwarming van de oceanen.
Oceaanstromingen matigen dan wel het klimaat op aarde, ze zijn ook verantwoordelijk voor abrupte klimaatsveranderingen. Dat laatste heeft de nog immer actieve Wallace Broecker, professor geologie aan de Columbia Universiteit van New York, met zijn toonaangevend onderzoek sinds de jaren 50 bewezen. Dr. Broecker grapte recent op een groot geologisch congres dat zijn schetsjes van het mechanisme van oceaanstroming tegenwoordig op mineraalwaterflessen in China staan, helaas nog niet helemaal in de goeie context want het stromingsdiagram heeft niet direct te maken met de zoetwaterkringloop van mineraalwater. Hij ontving in 1996 de prestigieuze nationale wetenschapsonderscheiding van de VS. Onder andere voor zijn onderzoek naar de effecten van verstoringen van de oceaancirculatie.
Aan het einde van het Pleistoceen, zo’n 12.500 jaar geleden, net toen het noordelijk halfrond voor het grootste gedeelte vrij was van landijs, daalde in nog geen 10 jaar tijd de temperatuur op aarde. Tijdens deze 1.300 jaar durende koude periode, de Jonge Dryas genaamd, dreven er ijsbergen tot aan Portugal. Broecker toonde aan de hand van de veranderende chemische samenstelling van sedimenten in de Golf van Mexico aan, dat dit kwam omdat de oceaancirculatie sterk was afgezwakt, en mogelijk zelfs geheel was gestopt. Volgens Broecker is het plotseling leegstromen van een reusachtig zoet water gletsjermeer ‘Lake Agassiz’ in de Atlantische oceaan verantwoordelijk voor het verminderen van het zoutgehalte en dus het gewicht van het zeewater. Zodoende zakte het koude zeewater niet tot nauwelijks meer naar de diepte en stopte de circulatie.
Een enigszins andere theorie van John Andrews (Universiteit van Colorado, VS) en Harmut Heinrich (Nationaal Maritiem en Hydrografisch instituut, Duitsland), beschrijft eenzelfde effect. Zij hebben aangetoond dat een vloot van ijsbergen, de zogenaamde ‘Heinrich events’, via de Labrador zee uiteindelijk in de Noord Atlantische oceaan terechtkwam waar de ijsbergen smolten. Het vrijgekomen zoete smeltwater maakte het zeewater minder zout en dus minder zwaar waardoor de circulatie verzwakte. Door het afzwakken of uitvallen van de oceaancirculatie wordt er geen warm zeewater uit de tropen meer naar het noordelijk halfrond gebracht. Koude winden vanaf Noord Amerika worden niet meer door de zee opgewarmd, voordat ze Europa bereiken, met als gevolg: een abrupte klimaatsverandering.
Veranderingen in oceaanstromingen en de daarmee gepaard gaande plotselinge klimaatsveranderingen zijn ook in de toekomst te verwachten. De impact van menselijke invloed in deze is nog niet met zekerheid vast te stellen, maar het is denkbaar dat door het opwarmen van de aarde de ijskap op Groenland sneller smelt. Deze puls aan zoet water zou wel eens een nieuwe ijstijd kunnen starten en dat terwijl het net warmer begint te worden.
Tekst: Albert Kettner (1970)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(zondag 9 september 2007)
