Klimaatverandering in de oceanen

Oceanen hebben een groot effect op het reguleren van het klimaat. Kennis over oceanen is daarom essentieel. Recente onderzoeken komen met nieuwe bevindingen. Zo reageren organismen niet uniform op oceaanverzuring en kan dit leiden tot extra koolstofdioxide in de atmosfeer, kunnen metaaloxides methaan afbreken en kan de Antarctische ijskap voor toekomstige verrassingen zorgen.

Oceanen spelen een belangrijke rol bij klimaatverandering door middel van oceaanstromen en biochemische cycli. De concentratie CO2 in de atmosfeer schommelt door natuurlijke variaties tussen de 180 en 280μatm, maar aan het einde van deze eeuw kan de concentratie oplopen tot 1000μatm. Dit verschil wordt veroorzaakt, doordat we per jaar 9,4 gigaton (10^15 gram) koolstof uitstoten. Hiervan is 8,6 afkomstig van fossiele brandstoffen en 0,8 van ontbossing. De oceaan neemt 27% van deze jaarlijkse uitstoot op en is het grootste koolstofreservoir op aarde.

Effect oceaanverzuring niet uniform

''In het verleden was de atmosfeer de slaaf van de oceaan'', zegt mariene geoloog Gert-Jan Reichart, hoogleraar aan de Universiteit Utrecht en departementshoofd bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ). ''Nu, in het Anthropoceen, is dat anders.'' De enorme hoeveelheid CO2 die jaarlijks in de oceaan oplost, veroorzaakt oceaanverzuring. Ook dieper in de oceaan (beneden 1500 meter) wordt de pH van het water lager. Over het algemeen vermindert dit het vermogen van organismen om kalk te vormen. Op een tijdschaal van enkele duizenden jaren (geologisch gezien kort) verlaagt een verminderde kalkproductie het CO2 niveau in de atmosfeer. Reichart vertelt echter dat het effect van oceaanverzuring op organismen niet uniform is. Recentelijk onderzoek wijst namelijk uit dat de eencellige organismen foraminiferen een verschil in zuurgraad gebruiken voor hun groei. Een lage zuurgraad buiten de foraminifeer en een hoge zuurgraad in de foraminifeer zelf zorgt via ionentransport voor vorming van kalk. Bij de vorming van kalk komt CO2 vrij, waardoor oceaanverzuring in dit geval een toename in atmosferische CO2 veroorzaakt.

Afbraak van methaan

Methaan (CH4) is een zeer sterk broeikasgas, grofweg dertig keer sterker dan CO2. Het meeste CH4 wordt gevormd bij de afbraak van organisch materiaal. Ondanks veel CH4 productie in ondiepe oceanen, wordt er weinig (minder dan 2%) afgegeven aan de atmosfeer. Dit komt doordat meer dan 90% van de CH4 uit de oceanen wordt afgebroken via oxidatie in contact met sulfaat. Brak en zoetwater ecosystemen hebben lage sulfaat concentraties en breken dus geen CH4 af. Recente onderzoeken hebben gevonden dat metaaloxides ook oxidatie en afbreking van CH4 kunnen bevorderen. Dit kan zeer waardevol zijn voor afbreking van CH4 in milieus met lage sulfaat concentraties.

Verhoogde zeespiegel door veranderingen in oceaanstroming?

In de Noord Atlantische oceaan zakt koud, zout water naar grote diepte en beweegt vervolgens zuidwaarts. Hoe kouder en zouter het water, hoe zwaarder. Door het zinken is de zeespiegel in de Noord Atlantische oceaan lager dan in het zuiden, dit drijft oceaanstroming. Klimaatverandering warmt oceaanwater op en maakt het minder zout, doordat ijskappen afsmelten. Dit vermindert het zinken van oceaanwater in de noord Atlantische oceaan en verhoogt de zeespiegel. Klimaatverandering kan het zinken met 50% verminderen tegen 2100. De zeespiegel in de Noordzee kan hierdoor met 25 centimeter stijgen in 50 tot 100 jaar.
Momenteel wordt er aan de TU Delft onderzoek gedaan of dit daadwerkelijk het geval is. De onderzoeken hebben namelijk het effect van kleinschalige oceaanwervelingen niet meegenomen. Deze verticale stromingen komen veel voor, lokaal vooral voor de kust van Groenland, en hebben grote invloed op het zinken van watermassa’s.

Toekomstige verrassing vanuit Antarctica

Op Groenland en Antarctica bevinden zich de twee grootste gletsjers op aarde, allebei eindigen ze in de oceaan. De Groenlandse gletsjer heeft contact met de oceaan in fjorden en de Antarctische gletsjer heeft direct contact met de open oceaan. Deze twee enorme gletsjers smelten, deels doordat het omringende oceaanwater opwarmt. Peter Kuipers Munneke, glacioloog aan de Universiteit Utrecht en weerman bij NOS, vertelt dat deze grote gletsjers veel langzamer reageren op veranderingen dan kleine gletsjers. Maar als deze gletsjers eenmaal smelten, is dit niet gemakkelijk te stoppen. ''Het zijn reuzen die wakker worden'', zegt Kuipers Munneke.

In de Groenlandse fjorden bevinden zogenaamde ice mélanges van brokstukken gletsjer. Dit beschermt de gletsjer tegen smelten en duwt de gletsjer een stukje terug. In de toekomst zullen deze ice mélanges verkorten door opwarming van het onderliggende oceaanwater. Daarnaast smelt de Groenlandse gletsjer ook aan de oppervlakte. In een sterker opwarmend klimaat wordt dit smelten aan de oppervlakte steeds dominanter.

De Antarctische gletsjer heeft andere karakteristieken en reageert daardoor anders op veranderingen. Zo is het in Antarctica zo koud dat smelten aan de oppervlakte niet voorkomt. Wel smelt de gletsjer door onderliggend opwarmend oceaanwater, vooral in westelijk Antarctica. Lokaal warmen de diepe oceaanwateren het sterkst op. Bij de rand van de continentale plaat komt dieper water naar het oppervlak, hier smelt de gletsjer dan ook het snelst. Een belangrijk fenomeen die bij Antarctica plaats kan vinden en waar het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) geen rekening mee houdt, is een instabiliteit van de marine gletsjer. Dit gebeurt wanneer de gletsjer niet langer steunt op continentale bodem, waardoor de gletsjer harder gaat stromen en snel zal smelten. Kuipers Munneke waarschuwt beleidsmakers om op west Antarctica te letten. ''Instabiliteit van de mariene gletsjer kan hier voor verrassingen zorgen in de toekomst.''

Sediment vertelt het verhaal van het verleden

De meeste kennis die wij hebben over klimaatverandering in het verleden komt van sedimentkernen uit de oceaanbodem. In 1958 is een eerste programma opgezet om dergelijke kernen te boren. Sindsdien zijn tientallen expedities over de hele wereld uitgevoerd. Het huidige programma (2013-2023), het International Ocean Discovery Program (IODP), richt zicht op vier verschillende aardwetenschappelijke thema’s. Een daarvan is klimaatverandering in het verleden en veranderingen in de oceaan. Dergelijke kennis is essentieel om de huidige en toekomstige klimaatverandering te begrijpen en om ons beter op de toekomst voor te bereiden.

Een groot deel van deze onderzoeken maakt gebruik van microfossielen, zoals fossiele algen. In de oceaan leven veel minuscule organismen, die naar de bodem neerdwarrelen wanneer ze dood zijn. De oceaanbodem is dus eigenlijk een kerkhof van microfossieltjes. Veel van deze organismen bestaan uit een kalkskeletje, die geschikt zijn voor onderzoek. Op de kalkskeletjes kunnen isotopenmetingen worden uitgevoerd die een beeld geven van de omstandigheden in de oceaan, zoals temperatuur en zoutgehalte. Cyclische veranderingen in de stand van de aarde en de afstand tot de zon veroorzaken natuurlijke variatie in het klimaat. De studie naar deze natuurlijke variatie is essentieel om veranderingen in het klimaat te begrijpen. Van het verleden, nu en in de toekomst.

In perspectief

In dit artikel gaat het over de effecten en veranderingen op de korte geologische tijdschaal, de tijdspan belangrijk voor de mens. Op de lange geologische tijdschaal wordt namelijk koolstof uit de oceanen verwijderd, de drijver hiervan is erosie op het land. De afgelopen 200 jaar hebben we uitzonderlijk veel CO2 uitgestoten, om deze CO2 uit de atmosfeer te verwijderen en terug te komen naar een natuurlijk evenwicht, hebben we grofweg 100.000 jaar nodig. Vergelijkbaar met een levenslange kater na slechts een avondje stevig drinken.

Bronnen
Symposium Utrechtse Aardwetenschappen Vereniging. Climate change in the ocean: The past, the present and the future. 12 januari 2016

Foto bovenaan: NASA Earth Observatory