In het recente Volkskrantbericht over klimaatrecords (zie vorige post) las ik: “Ook het oppervlaktewater van de oceanen was vorig jaar gemiddeld warmer dan ooit eerder.. Omdat verreweg de meeste extra warmte in de diepzee gaat zitten, zal de opwarming zelfs bij het stopzetten van de uitstoot van broeikasgassen  nog lang – mogelijk zelfs eeuwen – doorgaan. De bovenste waterlaag (700m) is nu warmer dan ooit werd gemeten.”

In onderstaande grafiek is de temperatuuranomalie (verandering) weergegeven van de gemiddelde temperatuur van de bovenste 700m van het oceaanwater. En inderdaad, de grafiek stijgt en is nog nooit zo hoog geweest. Daarbij moeten wel een paar kanttekeningen gemaakt worden. Ten eerste begint de grafiek pas in 1955. Van de periode daarvoor zijn geen bruikbare gegevens beschikbaar.

Bron: KNMI

In de tweede plaats zijn de gegevens waarop de grafiek gebaseerd is pas vanaf grofweg 2005 echt betrouwbaar. Vanaf 2000 zijn zogenaamde ARGO Floats uitgezet over alle oceanen, die onder andere het temperatuurprofiel tot 2 km diepte meten. Vanaf ongeveer 2005 waren er voldoende uitgezet om van een dekkend netwerk te spreken. Vóór 2000 werden er sporadisch metingen verricht vanaf schepen.  De ruimtelijke dekking was zeer slecht, en van betrouwbare data was geen sprake. De ARGO-organisatie schrijft hierover:

“Lack of sustained observations of the atmosphere, oceans and land have hindered the development and validation of climate models. An example comes from a recent analysis which concluded that the currents transporting heat northwards in the Atlantic and influencing western European climate had weakened by 30% in the past decade. This result had to be based on just five research measurements spread over 40 years. Was this change part of a trend that might lead to a major change in the Atlantic circulation, or due to natural variability that will reverse in the future, or is it an artifact of the limited observations?”

 

Bron: ARGO

Enige voorzichtigheid is dus geboden als we de voorhanden zijnde data bekijken. Er is slechts sprake van betrouwbare gegevens over een klimatologische bezien zeer korte periode van ongeveer 10 jaar. In dat licht bezien is de opmerking in de Volkskrant “…is nu warmer dan ooit werd gemeten”  licht hysterisch. De grafiek laat een stijging van de temperatuur in de bovenste 700m zien van 0,2 °C. Voor de laag 0-2000m is een stijging te zien van 0,1 °C. Over die opwarming heb ik ooit een en ander geschreven.

Bron:  Trenberth

Wat gebeurt er als de oppervlaktetemperatuur van het oceaanwater toeneemt? Dat kunnen we zien in bovenstaande figuur die van Trenberth afkomstig is. Er zijn  drie mechanismen die voor afkoeling van het aardoppervlak zorgen: straling, convectie en verdamping.  Zoals op de figuur te zien is is verdamping het sterkste afkoelingsmechanisme aan het aardoppervlak.  Boven de oceanen is dat effect nog groter omdat het een vrij verdampend wateroppervlak is. Als de temperatuur van de bovenste laag oceaanwater hoiger wordt nemen alle drie de processen toe en krijg je een versterkte afkoeling. Vandaar dat het opwarmingseffect van de lucht tijdens El Niño maar van korte duur is: het duurt niet veel langer dan de opwarming van het oppervlaktewater duurt.

De extra opname door het diepere oceaanwater lijkt imposant, maar is het eigenlijk niet. Spencer vergeleek een paar jaar geleden de energiestroom naar de diepere oceaan niet met de warmte-inhoud van die laag, maar met de energiestromen die het systeem aarde binnenkomen en verlaten. Hij stelde: “ Plots of changes in ocean heat content since the 1950′s might look dramatic with an accumulation of gazillions of Joules, but the energy involved is only 1 part in 1,000 of the average energy flows in and out of the climate system. To believe this tiny energy imbalance is entirely manmade, and has never happened before, requires too much faith for even me to muster. ”

Volgens de stralingsbalans van Trenberth is de gemiddelde netto inkomende kortgolvige straling aan TOA  ~ 239 Wm-2. De uitgaande is op langere termijn bezien even groot. Vergelijkt men nu de warmtetoevoer vanaf 2003 naar de oceaanlaag van 700 – 2000m dan is die ongeveer 0,5 x 1022 J/jaar. Vergelijkt men die energiestroom met die welke in een jaar tijd netto de aarde verwarmt dan is die verhouding ongeveer 1 : 7700.  Een very tiny imbalance.

Kortom: de lichte stijging van de gemiddelde temperatuur van de bovenste 700m en 2000m van het oceaanwater zoals die geconstateerd wordt vanaf 2005 lijkt imposant maar is vergeleken met de energiefluxen van het klimaatsysteem dermate gering dat het verwaarloosbaar is. Juist de sterke verschillen in opwarmen en afkoelen van oceaanwater, afhankelijk van de plaats op aarde, maakt duidelijk dat een belangrijke factor in dit geheel de dynamische zeestromen zijn. Omdat het oceanisch systeem dynamisch is en chaotisch (zoals het klimaatsysteem) zullen er voortdurend veranderingen optreden in het verticale temperatuurprofiel over de hele wereld.

Bron: Spencer

Van Camthout schrijft:  “Omdat verreweg de meeste extra warmte in de diepzee gaat zitten, zal de opwarming zelfs bij het stopzetten van de uitstoot van broeikasgassen  nog lang – mogelijk zelfs eeuwen – doorgaan.” Dat is volgens mij een denkfout. Immers, als het broeikasgasniveau stabiliseert, stabiliseert ook de forcing die het gevolg is van de aanwezigheid van broeikasgassen.

Het is verleidelijk om de energie die opgeslagen is in de bovenste 700m of 2000m van het oceaanwater te zien als een soort van ‘kachel’ die nog heel lang de lucht zal verwarmen. Verreweg de belangrijkste energiefluxen van het oceaanoppervlak richting atmosfeer zijn verdamping (latente warmte) en straling. De verdamping is vooral afhankelijk van de temperatuur van het bovenste laagje water (en veroorzaakt weer tegenkoppeling door wolkvorming). De overdracht van warmte van water naar lucht door straling is afhankelijk van de watertemperatuur in het dunne oppervlaktelaagje en de  warmtestraling van de lucht naar beneden. Volgens de Tweede Wet van de Thermodynamica

vindt er uitsluitend netto warmteoverdracht plaats van het warmere naar het koelere medium. Zodra dat bovenste laagje afgekoeld is ontstaat er een evenwicht. Zelfs een pakket water van 700m dik dat 0,2 graden warmer is dan 50 jaar geleden zal niet kunnen bewerkstelligen dat er nog heel lange flinke opwarming van de atmosfeer zal plaatsvinden. Fysiek onmogelijk volgens dezelfde Tweede Wet. Er is sprake van entropie:  een toestand waarin de temperatuur ongelijk verdeeld is, zoals in de oceanen, neigt tot afvlakken van die ongelijkmatigheden. Met andere woorden, als er geen extra energie aan toegevoegd wordt zal uiteindelijk de temperatuur overal gelijk worden. In oceaanbekkens zijn het met name de stromingen (en in veel mindere mate geleiding)  die zorgen voor het afvlakken van de temperatuurverschillen.

Maar uiteraard vormen oceanen geen gesloten systeem, er wordt voortdurend energie aan toegevoegd door zonlicht en neerwaarts gerichte warmtestraling. Die verwarmen de bovenste waterlaag, die op zijn beurt energie afstaat aan de onderste luchtlagen, en door menging en geleiding aan de diepere waterlagen. In een sterk vereenvoudigd model ziet dat er als volgt uit:

Door extra E in als gevolg van een versterkt broeikaseffect zal de bovenste waterlaag opwarmen. Als gevolg daarvan zal E iut ook toenemen, alsook de E mix. E uit en E mix zorgen voor afkoeling van de bovenste waterlaag. Dat gaat door tot er een evenwicht is bereikt tussen E in en E uit.  Bij stijgende E in zal er dus steeds een (hoger) evenwichtsniveau gevonden worden. Indien nu het broeikaseffect contant zou blijven (en inkomend zonlicht ook), dan ontstaat er na verloop van tijd een evenwichtssituatie waardoor temperatuur van bovenste waterlaag en onderste luchtlaag gelijk zijn. De diepere waterlagen zijn (aanmerkelijk) kouder dan  de bovenste. Dat betekent dat volgens de Tweede Wet Thermodynamica die koudere lagen NOOIT in staat zijn de bovenste laag te verwarmen. Door E mix zal de warmere waterlaag wel voortdurend warmte afstaan aan de lager gelegen koudere lagen. Hoogstens zal het feit dat diepere water dat de afgelopen jaren iets opgewarmd lijkt, bij een afname van E in  de afkoeling van de bovenste waterlaag vertragen. Maar die effecten zullen niet groot zijn: het gaat immers tot 700m om een stijging met 0,2 °C.  De natuurkundige Clausius zei het al in 1854:  “Het is onmogelijk om met een motor, verbonden met twee warmtereservoirs, een cyclisch proces uit te laten voeren dat als enige resultaat heeft de overdracht van een hoeveelheid warmte van het reservoir met lage temperatuur naar het reservoir met hoge temperatuur” .