Afzwakkende Walker Cel in de Pacific door menselijk toedoen?

Bericht van: Ben (Lelystad) , 15-08-2006 20:48 

Afzwakkende Walker Cel in de Stille Oceaan door menselijk toedoen?

Door Ben Lankamp

Dit artikel is eerder gepubliceerd in Weerspiegel 8, jaargang 23.
In een recent gepubliceerd wetenschappelijk rapport in Nature is niet alleen het afzwakken van de Walker Cel in de Stille Oceaan geconstateerd, maar is dit ook nog eens in verband gebracht met antropogene forcering. Dit is opmerkelijk, omdat nog niet eerder een direct verband gelegd kon worden tussen grootschalige atmosferische veranderingen en menselijk handelen. Wat zijn de bevindingen van dit rapport nou precies en wat voor implicaties hebben die wellicht voor de wetenschap?


De Walker Cel
Er zijn op aarde een aantal grote circulatiepatronen te vinden, die enorme luchtmassa’s verplaatsen tussen diverse gebieden. Deze min of meer gesloten circulatiepatronen worden ‘cellen’ genoemd. In de Walker Cel, genoemd naar de Engelse natuurkundige Sir Gilbert Walker, stijgt lucht boven de west-elijke Stille Oceaan op door convectie in lagedruk om dan naar Peru te stromen en daar weer te dalen als gevolg van subsidentie in hogedruk. Vervolgens keert de lucht onderin de atmosfeer weer terug naar zijn oorsprong met behulp van de oostelijke passaatwinden. Aldaar begint het proces tot slot weer van voren af aan en is de circulatie rond.


Figuur 1: de Walker cel, bron: UCAR

In figuur 1 is de Walker cel versimpeld grafisch weergegeven. Nabij midden- Amerika verdampt veel zeewater (A) en het vocht dat hierbij in de onderste helft van de atmosfeer komt, wordt met de passaatwinden naar het westen getransporteerd (B). Boven Indonesië zorgt een combinatie van vochtige en warme lucht voor zware neerslag (C), terwijl droge lucht tussen de twee plaatsen van bovenaf naar beneden zinkt (D).


Het vertragende mechanisme
Hoe kan het nu dat het opwarmen van de aarde juist tot het verzwakken van deze gesloten circulatie kan zorgen? In eerste instantie zou je zeggen dat een hogere luchttemperatuur voor meer convectie (buien) zorgt, zodat het netto resultaat juist een versterkte circulatie zou moeten zijn. Het netto afzwakken van de circulatie kan echter heel simpel verklaard worden door te kijken naar de uitwisseling van massa en energie aan de stijgende kant van de circulatie. Naar mate de aarde opwarmt, neemt de concentratie waterdamp in de onderste helft van de troposfeer met zo’n 7% per graad opwarming toe. De mate van neerslag ten gevolge van convectie neemt echter veel minder snel toe per graad opwarming, bij benadering zo’n 2%. Dat komt omdat de geproduceerde neerslag weer gebalanceerd moet worden door het transport van vocht van de grenslaag naar de vrije atmosfeer. Het transport wordt weer bepaald door de concentratie waterdamp in de grenslaag en de algehele uitwisseling van lucht tussen de grenslaag en de vrije atmosfeer.

De gevolgen van opwarming op de concentratie waterdamp en mate van neerslag zorgen ervoor zorgen dat de uitwisseling van massa en energie tussen de grenslaag en de vrije atmosfeer met zo’n 5% per graad opwarming afneemt. Aangezien uit observaties blijkt dat de zeewater-temperatuur in de tropen met zo’n 0,5-0,6°C is toegenomen sinds het midden van de vorige eeuw, zou dus theoretisch de circulatie met zo’n 2,5-3% moeten zijn afgenomen.


Modelsimulaties
Dat de circulatie in theorie zou moeten afzwakken is natuurlijk al significant, maar belangrijker is uiteraard of uit de waarnemingen ook blijkt dat er feitelijk sprake is van een afzwakking. Om dat te bepalen is er gekeken naar een index van het Indopacifische drukgradiënt, die erg goed de gemiddelde sterkte van de Walker circulatie aangeeft. Verder dienen ensembles van mondiale klimaatmodellen, met wisselende forceringen, als een manier om de oorzaak van de veranderingen in het circulatiepatroon te achterhalen en om de statistische significantie van de veranderingen te bepalen.

Er zijn drie verschillende ensembles opgezet om de evolutie van diverse typen forceringen te simuleren. De eerste bestaat uit vijf leden waarin schattingen zitten van natuurlijke en antropogene invloeden op het klimaat. Bij natuurlijke invloeden gaat het om zaken zoals wisselende zonkracht en volkanen. Onder antropogene invloeden wordt verstaan gemengde broeikasgassen, ozon, toegevoegde aërosolen en veranderd landgebruik. Het tweede ensemble bestaat louter uit natuurlijke invloeden en het derde ensemble louter uit antropogene invloeden.

Waarnemingen en modellen
Uit meetreeksen van de luchtdruk tussen 1861 en 1992 in het Indopacifische gebied, blijkt dat het luchtdrukgradiënt vrij gestaag is afgenomen. Hieruit kan dus worden concludeerd dat de Walker circulatie inderdaad in sterkte is afgenomen. Procentueel gezien zou het neerkomen op zo’n 3,5%, wat zelfs nog iets meer is dan uit de eerdere simpele berekening naar voren kwam.


Figuur 2: waargenomen en gesimuleerde trend in luchtdruk

Maar wat is hier dan de oorzaak van? Is het afzwakken slechts het gevolg van natuurlijke variatie of zijn bepaalde externe, antropogene forceringen de oorzaak? Om dit uit te zoeken zijn de eerder genoemde simulaties uitgevoerd, om zo te trachten de bijdrage van diverse forceringen aan de totale trend te bepalen. In figuur 2 zijn de resultaten van deze simulaties weergegeven. Duidelijk is te zien dat de waargenomen trendverdeling (a) het beste naar voren komt in de simulaties met louter antropogene forceringen (d) en alle forceringen combineerd (b). De simulaties met louter natuurlijke forceringen tonen een sterk afwijkend beeld (c). De conclusie zou dus kunnen luiden: antropogene forceringen hebben de voornaamste bijdrage geleverd in de totstandkoming van de afzwakkende trend van de Walker circulatie.


Statistische significantie
Deze conclusie is echter enigszins voorbarig. Hoewel de resultaten weinig aan de verbeelding over laten, is er nog het vraagstuk van de significantie. Uit de waarnemingen blijkt weliswaar dat er een afzwakkende trend is, maar deze is verre van geleidelijk. In de gekozen periode van 100-120 jaar is er sprake van nogal wat schommelingen, waardoor het moeilijk te zeggen is of de algehele trend toevallig naar voren komt door de opgetreden natuurlijke variaties in deze exacte periode, of dat er echt sprake is van een trend die significant is. Met andere woorden: het zou kunnen zijn dat de waargenomen ‘trend’ over deze 120 jaar in feite een veel grotere schommeling is in een verder volkomen neutrale trend over vele duizenden jaren. Met het aantonen van de significantie van de waargenomen trend staat of valt ook de relevantie van de modelsimulaties.

Om te bekijken in hoeverre de trend echt significant is, is er ook een modelsimulatie uitgevoerd met een veel langere simulatieperiode van 2.000 jaar. Deze veel gebruikte manier is bedoeld om vervolgens statistisch aan te tonen of een gesimuleerde of waargenomen trend met een bepaalde mate van zekerheid uitgesloten kan worden van het toeval. De onderzoekers hebben met deze methode kunnen aantonen dat de afzwakkende trend in de Walker circulatie met tenminste 95% zekerheid géén toeval is. Daarmee kan ook worden gesteld dat de modelsimulaties een duidelijke en betrouwbare aanwijzing leveren over de oorzaak van deze trend, namelijk een versterkte opwarming van het zeewater als gevolg van antropogene forcering.


Toekomst: grote gevolgen?
Voor de nabije toekomst ziet het er in de modelsimulaties niet bepaald rooskleurig uit. Er wordt een verdere opwarming van het zeewater berekend en daaruit voortvloeiend zal ook de Walkercirculatie blijven afzwakken. Naar schatting zal de kracht van de circulatie tegen 2100 met zo’n 10% zijn afgenomen. Het opwarmen van het zeewater en de afzwakking kunnen aanzienlijke gevolgen gaan hebben voor het lokale én mondiale klimaat. Lokale gevolgen kunnen zijn dat vissers in Peru minder vis gaan vangen, terwijl aan de andere kant van de oceaan de monsoon in Indonesië natter wordt. Aangezien de Walkercirculatie ook in direct verband staat met andere fenomenen zoals El Niño (en La Niña) kan verder afzwakken er mogelijk ook toe leiden dat de klimatologie van orkanen in de Atlantische Oceaan zal veranderen. Op dit moment is het echter nog te vroeg om met voldoende zekerheid dergelijke oorzaak-gevolg relaties vast te stellen, daar is nader onderzoek voor nodig. Dat het afzwakken van een van de grootste atmosferische circulatie-patronen niet zonder gevolgen kan gaan, staat buiten twijfel.

Het onderzoek uit Nature is een behoorlijke doorbraak geweest in het wetenschappelijk onderzoek naar recente klimaatverandering en de rol van de mens daarin. Voor het eerst is er een duidelijk verband gelegd tussen antropogene forceringen, de opwarming en een groot weerkundig gevolg daarvan. Eerdere vermoedens uit andere onderzoeken zijn daarmee bevestigd en er is verder een weg geplaveid voor verder onderzoek.


Dankwoord en bronnen
Met dank aan Joralf Quist en Evert Wesker voor hun commentaar en suggesties bij de totstandkoming van dit artikel.

- Weakening of tropical Pacific atmospheric circulation due to anthropogenic forcing, Vecchi et. al. (2006), Nature vol. 441

- Atmospheric Sciences 211, course materials, Holton et al. (1999)

- An Introduction to Dynamic Meteorology, Volume 88, Fourth Edition, Holton (2004)  Quote selectie