AMOC voor aardrijkskundeleraren

In de vakantie schreven de media over het dreigende stilvallen van de Atlantische Golfstroom. Op de KNAG Onderwijsdag van 2023 hield Femke de Jong van het NIOZ er al een lezing over. Als we CO2 blijven uitstoten, kan al binnen honderd jaar een kantelpunt optreden, waarmee het stilvallen de Golfstroom vrijwel niet meer te stoppen is. Met desastreuze gevolgen voor het klimaat – ook in Nederland. Wat kun je erover vertellen in de klas? 

De Atlantische Meridionale Oceaan Circulatie, ofwel AMOC, is een systeem van oceaanstromen dat warm, zout water transporteert vanuit het zuiden (van voorbij de evenaar) naar de Noord-Atlantische Oceaan. Hierdoor heeft Noordwest-Europa – en dus Nederland – een veel milder klimaat dan bijvoorbeeld Canada, dat op dezelfde noordelijke breedtegraad ligt. Deze circulatie, en het bijbehorende warmtetransport, kan verzwakken of zelfs stilvallen. Dit heeft grote gevolgen voor de klimaatverandering en is in het geologische verleden meerdere keren voorgevallen. De vraag is of dat weer kan gebeuren en of we de impact als maatschappij aankunnen.

Ontdekking en theorievorming

In 1750 liet kapitein Henry Ellis een emmer zakken in de subtropische Atlantische Oceaan en ontdekte dat het zeewater op ongeveer 1200 meter diepte relatief koud is. Waar Ellis het vooral handig vond om wijn te koelen, formuleerde Rumford  in 1798 de hypothese dat dit water koud is, omdat het in de diepzee richting de evenaar stroomt vanuit een koudere oorsprong op hogere breedtegraden. Daarmee was Rumford een van de eerste oceanografen die, met één emmer water, grootschalige oceaancirculatie suggereerde. Inmiddels weten we aan de hand van fysische en chemische parameters dat er een grootschalige wereldwijde oceaancirculatie bestaat en dat die er zo’n duizend tot tweeduizend jaar over doet om een rondje te maken. Een tak van deze stroming is de AMOC.

AMOC

De AMOC transporteert warm en zout water in de bovenste laag van de oceaan (tot ongeveer 500 meter diepte) van de evenaar naar het gebied tussen Groot-Brittannië, Groenland en Canada (rode band in figuur 1). Tijdens dit proces geeft het warme water warmte af aan de atmosfeer. En vanwege de overwegend westelijke winden draagt dit bij aan een gematigd klimaat in Europa. Als water afkoelt, kan het meer CO2 absorberen en neemt dit op uit de atmosfeer. Vervolgens zakt het afgekoelde, relatief zware water naar een diepere oceaanlaag (1-3 kilometer). Vanuit deze lagen stroomt het water weer terug naar de evenaar (blauwe band in figuur 1) en uiteindelijk zelfs naar het zuidelijk halfrond. De AMOC fungeert zo als een transportband voor warmte en zout vanuit het zuiden naar het noorden, een vloerverwarming voor Europa. 

Door klimaatverandering kan deze transportband vertragen en kan daarmee de vloerverwarming voor Europa uitvallen. Het water zakt namelijk pas als het een hogere dichtheid heeft dan water in de directe omgeving. Koud of zout water heeft een hogere dichtheid dan warm of zoet water. Als minder water verzwaart, zal er minder zinken en minder water worden aangetrokken vanuit het zuiden om het gat te vullen. De circulatie vertraagt. Door klimaatverandering is de zee warmer, neemt de regen toe in het gebied en is er extra smeltwater van de Groenlandse ijskap en Arctisch zee-ijs. Allemaal effecten die het water lichter maken en de AMOC verzwakken. De AMOC kan zelfs helemaal stilvallen.

Kantelpunt

Al sinds de Amerikaanse oceanograaf Henry Stommel in 1961hierover een theorie formuleerde, weten we dat de AMOC kan stilvallen. Water zinkt in de noordelijke Atlantische Oceaan, omdat het zout genoeg is om een hoge dichtheid te hebben. De AMOC voert namelijk zout water vanuit de subtropen – een gebied met netto verdamping – naar hogere breedtegraden – een gebied met netto neerslag. Dus: de AMOC stroomt, omdat deze zelf zout aanvoert. Een zelfversterkend terugkoppelingsmechanisme, dat ook kan omdraaien. Als de AMOC vertraagt, wordt er minder zout naar het gebied gebracht, waardoor het water minder makkelijk zinkt en dus de AMOC verder vertraagt. Wanneer een kritisch punt wordt overschreden (kantelpunt), verandert dit in een zich versterkende vicieuze cirkel en komt de AMOC uiteindelijk tot stilstand.

Daarbij is er ook een zelfversterkende terugkoppeling met de atmosfeer. Wanneer de AMOC in kracht afneemt, zal de oceaan uiteindelijk ook minder CO2 opnemen en blijft er meer CO2 in de atmosfeer achter. Dat veroorzaakt nog meer opwarming, waardoor de AMOC uiteindelijk verder verzwakt.

Eerste keer?

Het zou niet de eerste keer zijn dat de AMOC stilvalt. Op geologische tijdschalen is het nog niet eens zo lang geleden al herhaaldelijk gebeurd. Aan de hand van veranderingen in de vegetatie hadden Nederlandse wetenschappers al in de jaren 1960 gezien dat het klimaat tijdens de laatste ijstijd, het Weichselien, soms heel snel en drastisch omsloeg. Toen wetenschappers in de jaren 1980 sedimentkernen van de Noord-Atlantische Oceaan onderzochten, vonden ze laagjes met gesteentegruis ver verwijderd van het continent. Ze konden de laagjes over grote afstanden met elkaar correleren. Deze lopen door tot ver naar het zuiden en worden Heinrich-laagjes genoemd, naar hun ontdekker Hartmut Heinrich. De samenstelling van het gesteentegruis, soms stenen van centimeters groot, toonde aan dat het helemaal vanaf Canada, Groenland en IJsland vervoerd werd door enorme armada’s van ijsbergen. Plotseling werd de Noord-Atlantische Oceaan veel kouder en konden ijsbergen het ingesloten gesteente (drop stones) tot ver naar het zuiden vervoeren.

Onderzoek naar verschillen in de samenstelling van het bodemwater in het verleden aan de hand van fossielen bracht nog iets aan het licht. Namelijk dat tijdens het dichtvriezen van de Noord-Atlantische Oceaan de diepwaterstroming tot stilstand was gekomen en dat dit kwam door het afsmelten van die ijsbergen. Het zoeter worden van het oppervlaktewater had de oceaanstroming stilgezet en als gevolg daarvan was vooral Noord-Europa sterk afgekoeld, tot wel 10 graden Celsius en dit in een tijdsbestek van slechts enkele jaren. 

Het ineenstorten van de AMOC is dus geen theoretisch scenario, maar al herhaaldelijk gebeurd. Daarom is het belangrijk de gevolgen van deze gebeurtenis te begrijpen.

Gevolgen kantelpunt

Met computermodellen kun je simuleren dat de AMOC stilvalt om zo de gevolgen te bestuderen. Dat kan ook aan de hand van gebeurtenissen in het verleden en dan vooral de laatste ijstijden. Hoewel het stilvallen van de AMOC in het verleden soms erg plotseling ging, duurt dit volgens computersimulaties in het huidige klimaat ongeveer vijftig tot honderd jaar.

Gevolgen wereldwijd

Als de AMOC stilvalt, zal er minder warmte van het zuidelijk naar het noordelijk halfrond stromen. Het zuiden wordt nog warmer, terwijl het noorden minder opwarmt of zelfs afkoelt. De mate waarin dat gebeurt, is ook afhankelijk van de klimaatverandering. Tropische regenzones (intertropische convergentiezone, ITCZ) zullen naar het zuiden verschuiven. Daardoor verzwakken de moessonregens in het noorden, terwijl die op het zuidelijk halfrond juist sterker worden. Midden-Amerika, het Caribisch gebied en de Sahel zullen naar verwachting fors droger worden. Ook in het verleden zijn dergelijke verschuivingen geobserveerd als de AMOC stil viel.

Als de circulatie en verdeling van zout en temperatuur veranderen, heeft dat effect op de zeespiegel. Dat komt doordat de waterkolom plaatselijk opwarmt en uitzet én doordat de zogeheten dynamische zeespiegel verandert. In de Noord-Atlantische Oceaan, aan de Europese kust en in het Caribisch gebied zal de zeespiegel flink stijgen. In Nederland zelfs 1 meter. Op andere plekken zal de stijging minder snel gaan. De veranderende omstandigheden kunnen ook op verschillende manieren de planktongroei schaden, die invloed heeft op ecosystemen, zuurstof in het bodemwater, de CO2-opname en bijvoorbeeld vispopulaties. Op dit moment neemt de Noord-Atlantische Oceaan ongeveer 25% van de door menselijke activiteiten geproduceerde CO2 op en dat valt grotendeels weg als de AMOC stopt. De combinatie van gevolgen zal ertoe leiden dat wereldwijd de klimaatverandering versnelt, er grote gebieden onleefbaar worden, de voedselzekerheid in gevaar komt en er maatschappelijke onrust kan optreden.

Gevolgen voor Nederland

Vooral Noord-Europa zal enorm afkoelen, met name in de winter. Zelfs als we de globale opwarming meenemen, kan er ’s winter zee-ijs komen tot in de Noordzee. De winters kunnen hier gemiddeld bijna 10 graden kouder worden dan nu. In Zuid-Europa wordt de temperatuur minder beïnvloed, zodat het temperatuurcontrast met Noord-Europa toeneemt, vooral in de winter. Daardoor nemen de drukverschillen toe en kan het harder gaan stormen. Ook zullen de dag-tot-dagtemperaturen sterker variëren, wat ongunstig is voor de landbouw. Daarbovenop zal Europa gemiddeld een stuk droger worden. Nederland krijgt veel meer een continentaal klimaat.

Om de gevolgen van de stilvallende AMOC in perspectief te plaatsen, is het goed te beseffen dat de natuurlijke temperatuurstijging, van een ijstijd naar een warme periode, ongeveer 0,02 graden/eeuw is. De mens-gedreven klimaatverandering van de afgelopen eeuw is 0,7 graden/eeuw. Dat is vijftig keer sneller dan de natuurlijke variatie. Als de AMOC stilvalt, gaat de verandering met bijna 10 graden/eeuw de andere kant op. Dat is zo snel, dat je je kunt afvragen of de maatschappij zoals die nu is ingericht, dit aankan. Dit wil je te allen tijde voorkomen.

Urgentie

Voordat de AMOC kantelt, zal deze eerst afzwakken. Historische reconstructies suggereren dat de AMOC de afgelopen zestig jaar al ongeveer 15% is afgenomen. De verwachting is dat de AMOC de rest van deze eeuw nog eens 25% in kracht zal afnemen. Het IPCC-rapport uit 2021 zegt daarover dat ‘de AMOC zeer waarschijnlijk zal afnemen over de 21e eeuw voor alle uitstootscenario’s’. Of de verwachte afzwakking van de golfstroom zich ontwikkelt tot kantelpunt, is echter onzeker en misschien een van de belangrijkste vragen van onze tijd – zeker voor Nederland.

De beste manier om een eventueel kantelpunt te zien aankomen in oceaanstroming, is door directe metingen te doen – continu en over een periode van meerdere decennia. Dat is nodig, omdat de variatie van de stroming groot is ten opzichte van een eventuele trend – er zijn uitschieters naar boven en naar beneden. Directe metingen in de Noord-Atlantische Oceaan zijn echter niet eenvoudig uit te voeren. Ze vereisen de gemeenschappelijke inzet van oceaanexpedities, plaatsing van meetapparatuur in de oceaan en uitgebreide statistische analyse van de meetgegevens (figuur 2). Omdat zulke metingen pas sinds tien jaar verricht worden, is op dit moment nog niet vast te stellen of de AMOC slechts afzwakt of dat deze al kantelt. Voorspellingen zijn daarom nu nog gebaseerd op computersimulaties.

Aan de hand van computersimulaties stelde het IPCC in 2021 dat er een matige zekerheid is dat er geen ineenstorting zal optreden vóór 2100. Dat is op zich al geen geruststelling. Maar voor zowel de afzwakking als het kantelpunt geldt dat de onderliggende klimaatmodellen de AMOC-eigenschappen die nu direct gemeten worden, niet goed blijken te representeren. Het is waarschijnlijk dat deze modellen de kans op een afzwakking of kantelpunt onderschatten. Sinds de publicatie van de onderzoeken in het IPCC-rapport uit 2021 zijn inmiddels tal van nieuwe studies verschenen, die verschillende technieken hebben gebruikt. Samengevat concluderen ze dat het kantelpunt dichterbij is dan tot voor kort werd gedacht. Eerder tussen nu en honderd jaar, dan over duizend jaar. We begrijpen redelijk hoe de AMOC werkt, maar door de complexiteit van het systeem en gebrek aan begeleidende metingen en computerkracht is het moeilijk kwantitatief te voorspellen wat er wanneer precies gaat gebeuren.

Een eerste indicatie van de bandbreedte van de mate van afzwakking, hoe snel het kantelpunt bereikt wordt en hoe snel het afzwakken en stilvallen gaan. 

Wat nu?

Voorkomen dat de AMOC stilvalt, is nu het allerbelangrijkst en lijkt volgens de modellen nog mogelijk. Daarvoor moeten we wel zo snel mogelijk stoppen met de emissie van broeikasgassen. Lukt dat niet, dan zal de AMOC zeer waarschijnlijk stilvallen. De impact zal vele malen groter zijn dan welke maatregel je ook kunt bedenken om emissies te stoppen.

Voor het geval dat stoppen niet of slechts beperkt lukt, moeten we ons voorbereiden op klimaatveranderingen die zo groot zijn, dat deze de globale maatschappij kunnen ontwrichten. Het is duidelijk dat we zo snel mogelijk in staat moeten zijn het gedrag van de AMOC te voorspellen – op korte en ook wat langere termijn. Daarvoor moeten we de AMOC beter begrijpen en monitoren. De opgedane kennis gebruiken we dan om computersimulaties te verbeteren, waardoor voorspellingen nauwkeuriger en betrouwbaarder worden. Dit is een opgave die in internationaal verband, op zowel wetenschappelijk als diplomatiek niveau, tot stand moet komen.